home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Space & Astronomy / Space and Astronomy (October 1993).iso / mac / TEXT / SHUTTLE / SPACESUT.TXT < prev    next >
Text File  |  1993-02-05  |  146KB  |  2,818 lines

  1. "6_2_8_2.TXT" (10165 bytes) was created on 08-07-89
  2.  
  3. SHUTTLE SPACE SUIT
  4.  
  5.  
  6. N A S A
  7. EDUCATIONAL BRIEFS For The Classroom
  8.  
  9.  
  10. Outer space is a hostile environment. In order for astronauts to
  11. survive there, part of the Earth's environment must be carried with
  12. them. Air, pressure, and moderate temperatures have to be contained in
  13. a shell surrounding the space traveler. One method of doing this is to
  14. encase the astronaut in a protective flexible capsule called the space
  15. suit.
  16.  
  17. Up to now, space suits on space missions from the Mercury Program
  18. through the Apollo/Soyuz Test Project have been effective protection
  19. but have been handicapped by certain design problems. They were
  20. custom-fitted garments and in some suit models, more than 70 different
  21. measurements had to be taken of the astronaut in order to manufacture
  22. the suit to the proper fit. As a result, a space suit could be worn by
  23. only one astronaut on only one mission. Space suits were stiff, and
  24. simple motions such as grasping objects sapped the strength of an
  25. astronaut. Even donning the suit was an exhausting process lasting, at
  26. times, more than an hour and requiring the help of an assistant.
  27.  
  28. For the Space Shuttle astronauts, a new suit has been developed that
  29. offers many improvements in comfort, convenience, and mobility over
  30. the previous models. The suit, which is worn only outside the Shuttle,
  31. is modular and features many interchangeable parts. Torso, pants,
  32. arms, and gloves comes in several different sizes and can be assembled
  33. for each mission in the proper combinations to suit individual
  34. astronauts. This modular feature makes the Shuttle suit wearable on
  35. more than one mission and results in significant cost savings. Space
  36. Shuttle astronauts wear the suit when leaving the Orbiter cabin to
  37. deploy payloads, repair and service satellites in orbit, and assemble
  38. large structures from parts carried in the Orbiter cargo bay.
  39.  
  40.  
  41.                            MAJOR COMPONENTS
  42.  
  43. The Shuttle suit, known as an EMU for Extravehicular Mobility Unit,
  44. consists of three main parts: liner, pressure vessel, and primary life
  45. support system. These components are supplemented by a drink bag,
  46. communications set, helmet, and visor assembly.
  47.  
  48. The suit liner is technically called the liquid cooling and vent
  49. garment. It is quite similar in appearance to long underwear with one
  50. important difference. The stretchy, form-fitting nylon Spandex fabric
  51. is laced with small Tygon plastic tubes. The outside layers of the
  52. Shuttle suit are exceptionally well insulated making body heat
  53. dissipation a critical concern. Water cooled in the life support
  54. system circulates around the body it encloses through the plastic
  55. tubes for temperature control. Openings in the fabric weave also
  56. permit ventilation of the body.
  57.  
  58. The liquid cooling and vent garment is the first major suit component
  59. donned by the astronaut. It is followed by the pressure vessel, a
  60. multilayered garment. Actually, only one of the layers contains the
  61. pressure. The remainder are comprised of alternating layers of
  62. aluminized mylar plastic and unwoven Dacron that insulate the suit
  63. from the Sun-to-shade temperature extremes of 148 degrees to minus 129
  64. degrees in outer space. On top of those layers is a single outside
  65. layer of though Ortho fabric, a combination of Teflon, Kevlar, and
  66. Nomex with a neoprene liner, that serves as an abrasion and tear
  67. resistant cover as well as the primary micrometeoroid shield.
  68.  
  69. The principal function of the pressure vessel is the containment of
  70. oxygen under pressure to make a livable atmosphere for the astronaut.
  71. One layer of Kevlar, lined with a polyurethane plastic bladder and
  72. Dacron shell, contains the oxygen at a pressure of 281.24 grams per
  73. square centimeter (4 psi). With a normal atmospheric mixture of
  74. gasses, this pressure would be hardly livable. However, pure oxygen of
  75. the suit atmosphere makes the pressure acceptable.
  76.  
  77. One of the major challenges in designing space suits has been to make
  78. the pressure vessel flexible. With inside pressure, the vessel
  79. inflates balloon-like and becomes stiff. On previous models, joint
  80. areas such as the shoulders were made of molded neoprene rubber and
  81. reinforced with cables. These joints required constant muscle exertion
  82. to hold them in a flexed position. The pressure vessel fabric however,
  83. permits tucks to be stitched in the shoulder, elbow, wrist, knee, and
  84. ankle area. The tucks allow the joints to retain a flexed shape
  85. without constant muscle exertion.
  86.  
  87. The final major component of the Shuttle suit is the PLSS or Primary
  88. Life Support System. It is a two-part system consisting of a backpack
  89. unit and a control and display unit on the suit's chest. The PLSS is
  90. relatively heavy and the attachments of similar systems on Apollo
  91. suits was an arduous process. To simplify the Shuttle suit, a
  92. fiberglass shell, called the Hard Upper Torso or HUT, is built inside
  93. the upper torso of the pressure vessel. The HUT is similar in
  94. appearance to the breastplate of a suit of armor. The PLSS is
  95. permanently mounted to the HUT and all necessary connections are made
  96. through the suit's upper layers.
  97.  
  98. The backpack portion of the PLSS supplies oxygen for breathing, suit
  99. pressurization, and ventilation. It also cools and circulates the
  100. water used in the liquid cooling and vent garment and controls the
  101. oxygen temperature. Still another function of the PLSS is the cleaning
  102. of carbon dioxide and odors as well as other contaminants from the
  103. suit's atmosphere. Depending upon the exertion of the astronaut
  104. wearing the suit, there is a seven-hour oxygen supply in the backpack
  105. with an extra half-hour emergency supply.
  106.  
  107. The front of the PLSS is a control and display unit. A microprocessor
  108. automatically provides startup instructions, checks out the suit's
  109. major functions, and warns the wearer of malfunctions. The
  110. microprocessor is literally a computer on a tiny circuit chip.
  111.  
  112.  
  113.                         WASTE CONTAINMENT SYSTEM
  114.  
  115. Containment of body wastes is a significant problem in space suit
  116. design. As previously discussed, the PLSS will handle odors, carbon
  117. dioxide, and contaminant gasses in the suit's atmosphere. A separate
  118. system is required for urine relief. Because the Space Shuttle carries
  119. both male and female crewmembers, two different systems have been
  120. designed. Both systems are capable of containing approximately 900
  121. milliliters of urine. Due to the short time durations of anticipated
  122. space suit activity, fecal containment is considered unnecessary.
  123.  
  124.  
  125.                            MINOR COMPONENTS
  126.  
  127. The final items in assembling the Shuttle suit for use are the helmet
  128. and visor assembly. The helmet is a rigid, one-piece hemisphere of
  129. ultraviolet polycarbonate plastic. Donning the helmet automatically
  130. aligns the upper torso and helmet portions of the suit ventilation
  131. system. On top of the helmet is placed a visor assembly that consists
  132. of a visor with thermal/optical coatings, and center and side shades.
  133. This assembly provides impact, visible light, and thermal protection
  134. to the head region.
  135.  
  136. Prior to fixing the helmet in place, a "Snoopy-type" skull cap with
  137. microphone and earphones for communications is placed on the head. A
  138. radio in the PLSS relays crew voice transmissions as well as telemetry
  139. from sensors that monitor the physiological condition of the
  140. astronaut.
  141.  
  142. One other item is fixed in place prior to attaching the helmet. A
  143. small in-suit drink bag is filled with 950 ml of water from the
  144. Orbiter's portable water supply and placed inside the neck area of the
  145. upper torso's HUT. A drink tube with a suction-actuated valve permits
  146. occasional refreshment during EVA.
  147.  
  148.  
  149.                         DONNING THE SPACE SUIT
  150.  
  151. To make ready for work outside the Space Shuttle, the astronaut enters
  152. an airlock that exists into the Orbiter cargo bay. Here the crewmember
  153. puts on the appropriate urine collection system and the liquid cooling
  154. and vent garment. To simplify putting on the outer layers, the upper
  155. torso of the pressure vessel and PLSS are mounted to one of the
  156. airlock walls. The crew member pulls on the pants and then "dives" up
  157. into the upper torso. The pants and upper torso are easily joined by a
  158. metal ring connector at the waist. After the life support system is
  159. actuated and all connections are made, the communications cap, helmet,
  160. visor assembly, and gloves are attached. The entire process can be
  161. completed without assistance and the crew member can be ready for work
  162. in just minutes.
  163.  
  164.  
  165. ----------------------------------------------------------------------
  166.  
  167. QUESTIONS AND ACTIVITIES FOR THE CLASSROOM
  168.  
  169. 1.   What are the advantages of the Shuttle suit over previous
  170.      space suit models?
  171.  
  172. 2.   What makes it possible for the crewmember to survive in low
  173.      pressure atmosphere of the Shuttle suit?
  174.  
  175. 3.   What is one of the most challenging aspects in designing a space
  176.      suit? Why?
  177.  
  178. 4.   What are the main components of the Shuttle suit? What are their
  179.      functions?
  180.  
  181. 5.   Compare the environmental functions of space suits, space
  182.      capsules, and the Earth.
  183.  
  184. 6.   Research the history of space suit design from the early high-
  185.      altitude pressure suits to the new Shuttle suit.
  186.  
  187. 7.   Illustrate the need for tucked joints in the Shuttle suit
  188.      pressure vessel by inflating a long toy balloon. Bend the balloon
  189.      in the middle and note the need to constantly exert force to
  190.      retain the new shape.
  191.  
  192. 8.   Investigate the insulative properties of a variety of materials
  193.      such as aluminum foil, mylar plastic, and cloth. Form small
  194.      pouches from these materials and insert the bulb end of a
  195.      thermometer. Use a strong light bulb to radiate the pouch and
  196.      note the temperature changes over a unit of time. Also evaluate
  197.      the materials for tear and puncture resistance and flexibility.
  198.  
  199. 9.   Research the minimum environmental parameters required for human
  200.      survival in outer space.
  201.  
  202. 10.  Challenge the students to design an experiment that measures the
  203.      oxygen requirements of a "typical" astronaut during rest, and
  204.      light and strenuous exertion.
  205.  
  206. ----------------------------------------------------------------------
  207. NASA EDUCATIONAL BRIEFS For The Classroom, Shuttle Space Suit, EB-81-2
  208.  
  209.  
  210. "6_2_8_3.TXT" (131921 bytes) was created on 11-30-92
  211.  
  212. Suited for Spacewalking
  213. Teacher's Guide With Activities
  214.  
  215. EP-279
  216. March 1992
  217.  
  218. Note: a complete copy of this activity guide with illustrations can be obtained
  219. from NASA Teacher Resource Rooms. Refer to the appropriate menu in SPACELINK
  220. for addresses and telephone numbers.
  221.  
  222.  
  223.  
  224.  
  225.  
  226. Acknowledgements
  227.  
  228. Writer                  
  229. Gregory L. Vogt, Ed.D.
  230. Crew Educational Affairs Liaison
  231. NASA Johnson Space Center
  232.  
  233. Managing Editor 
  234. Cheryl A. Manning
  235. Education Division
  236. NASA Headquarters
  237.  
  238. This publication was produced in a cooperative effort of the National
  239. Aeronautics and Space Administration and the Challenger Center for Space
  240. Science Education. The following individuals and organizations provided support
  241. and guidance in the development of its contents.
  242.  
  243. NASA Headquarters 
  244. Washington, DC
  245. Education Division
  246. Elementary and Secondary Branch
  247. Technology and Evaluation Branch
  248. Educational Publications Branch
  249.  
  250. NASA Johnson Space Center 
  251. Houston, Texas
  252. Space Shuttle Support Office
  253. Astronaut Office
  254.  
  255. Challenger Center for Space Science Education 
  256. Alexandria, Virginia
  257.  
  258. Oklahoma State University 
  259. Stillwater, Oklahoma
  260. Aerospace Education Services Program
  261.  
  262. Special thanks also go to the following individuals for their assistance.
  263.  
  264. James W. McBarron
  265. Chief, EVA Branch
  266. Crew and Thermal Systems Division
  267. NASA Johnson Space Center
  268.  
  269. Joseph J. Kosmo
  270. Subsystems Manager for Spacesuit Development
  271. Crew and Thermal Systems Division
  272. NASA Johnson Space Center
  273.  
  274. Charles E. Whitsett
  275. Manager for Projects
  276. Automation and Robotics Division
  277. NASA Johnson Space Center
  278.         
  279. Shirley Sirota Rosenberg
  280. Consulting Editor
  281. SSR, Incorporated
  282.  
  283. Sam Haltom
  284. Cover Designer
  285. Another Color, Inc.
  286.  
  287. Marco G. Zambetti
  288. Animator
  289. McDonnell Douglas Space Systems Company
  290.  
  291. Table of Contents
  292.  
  293.  
  294.  
  295. Acknowledgments ii
  296. Introduction                                     1
  297. EARTH AND SPACE                                  2
  298. The Outer Space Environment                      3
  299. Spacewalking History                             4
  300. The Space Shuttle EMU                            8
  301. Putting on the EMU                              11
  302. Working In Space                                19
  303. Manned Maneuvering Unit                         19
  304. Future Spacesuits                               22
  305. EVA                                             23
  306. CLASSROOM ACTIVITIES                            25
  307.    Unit 1  Investigating the Space Environment  26
  308.    Unit 2  Dressing for Spacewalking            35
  309.    Unit 3  Moving and Working In Space          48
  310.    Unit 4  Exploring the Surface of Mars        54
  311.  
  312. Introduction
  313.  
  314. Spacewalking has captured the imagination of generations of children and adults
  315. since science-fiction authors first placed their characters on the Moon. But
  316. true space- walking did not actually begin until the mid-1960s with the
  317. exploits of Alexei A. Leonov in the Soviet Union and Edward H. White II in the
  318. United States. Since those first tentative probings outside a space capsule,
  319. astronauts and cosmonauts have logged thousands of hours on extravehicular
  320. activities, and some have even walked on the surface of the Moon. The stories
  321. of their missions in space are fascinating, but just as interesting is the
  322. spacesuit technology that made it possible for them to "walk" in space.
  323.  
  324.         This publication is an activity guide for teachers interested in using
  325. the intense interest many children have in space exploration as a launching
  326. point for exciting hands- on learning opportunities.  The guide begins with
  327. brief discussions of the space environment, the history of spacewalking, the
  328. Space Shuttle spacesuit, and working in space.  These are followed by a series
  329. of activities that enable children to explore the space environment as well as
  330. the science and technology behind the functions of spacesuits.  The activities
  331. are not rated for specific grade levels because they can be adapted for
  332. students of many ages.  The chart on curriculum application at the back of the
  333. book is designed to help teachers incorporate activities into various subject
  334. areas.
  335.  
  336. Measurement
  337.  
  338. This activity guide makes exclusive use of the metric system for measurement.
  339. If English-system equivalents are desired, a table of conversion factors can be
  340. found in many dictionaries and science textbooks.  The metric unit for pressure
  341. may be unfamiliar to readers, and an English-system conversion factor for this
  342. unit may not appear in some tables.  The metric unit for pressure is the
  343. pascal.  A pascal is equal to a force of one newton exerted over an area of one
  344. square meter.  Because the pascal is a relatively small unit, the more
  345. convenient unit of kilopascal (1,000 pascals) is used here instead.  To convert
  346. kilopascals to the English-system unit of pounds per square inch, divide by
  347. 6.895.
  348.  
  349.  
  350.  Earth and Space
  351.  
  352.  If we loosely define an astronaut as someone who travels through space, then
  353. everyone is an astronaut.  Even though we may be standing still on the surface
  354. of Earth, we are actually traveling through space.  Indeed, our planet may be
  355. thought of as a spaceship on a never- ending voyage.  As "astronauts" traveling
  356. through space on the surface of Earth, we take for granted the complex
  357. environment that sustains life.  Earth's gravitational attraction holds a dense
  358. atmosphere of nitrogen, oxygen, carbon dioxide, and water vapor in a thick
  359. envelope surrounding Earth's entire surface.  The weight of this atmosphere
  360. exerts pressure, and its movements distribute heat from the Sun to balance
  361. global temperatures.  Its density filters out harmful radiations and
  362. disintegrates all but the largest meteoroids.  Earth's atmosphere is a shell
  363. that protects and sustains the life forms that have evolved on its surface.
  364. Without the atmosphere's protection, life as presently known would not be
  365. possible.
  366.  
  367.         When Earth astronauts leave the surface of their planet and travel into
  368. space, they must carry some of their environment with them.  It must be
  369. contained in a physical shell because their body masses are too small to hold
  370. it in place by gravitational attraction alone.  The shell that is used is
  371. called a spacecraft--a rigid collection of metal, glass, and plastic.  Though
  372. far simpler in function than Earth's, a spacecraft's environment serves well
  373. for short missions lasting a few days or weeks.  On some flights, the shell is
  374. deliberately opened and the astronauts pass through an airlock to venture
  375. outside.  When doing so, they must still be protected by a smaller and very
  376. specialized version of their spacecraft called the Extravehicular Mobility Unit
  377. (EMU).  This smaller spacecraft is composed of a spacesuit with a life-support
  378. system.  It differs from the first spacecraft, or mother ship, in its
  379. anthropomorphic (human) shape and its flexibility.  Astronauts wearing EMUs
  380. need to be able to move arms, hands, and legs to perform an array of tasks in
  381. space.  They must be able to operate many types of scientific apparatus,
  382. collect samples, take pictures, assemble equipment and structures, pilot
  383. themselves about, and repair and service defective or worn-out satellites and
  384. other space hardware.  The tasks of astronauts outside their mother ship are
  385. called extravehicular activities, or EVAs.
  386.  
  387. The Outer Space Environment
  388.  
  389. Outer space is just what its name implies.  It is the space that surrounds the
  390. uppermost reaches of the atmosphere of Earth and all other objects in the
  391. universe.  Although it is a void, outer space may be thought of as an
  392. environment.  Radiation and objects pass through it freely.  An unprotected
  393. human or other living being placed in the outer space environment would perish
  394. in a few brief, agonizing moments.
  395.  
  396.         The principal environmental characteristic of outer space is the
  397. vacuum, or nearly total absence of gas molecules.  The gravitational attraction
  398. of large bodies in space, such as planets and stars, pulls gas molecules close
  399. to their surfaces, leaving the space between virtually empty.  Some stray gas
  400. molecules are found between these bodies, but their density is so low that they
  401. can be thought of as practically nonexistent.
  402.  
  403.         On Earth, the atmosphere exerts pressure in all directions.  At sea
  404. level, that pressure is 101 kilopascals.  In space, the pressure is nearly
  405. zero.  With virtually no pressure from the outside, air inside an unprotected
  406. human's lungs would immediately rush out in the vacuum of space; dissolved
  407. gases in body fluids would expand, pushing solids and liquids apart.  The skin
  408. would expand much like an inflating balloon.  Bubbles would form in the
  409. bloodstream and render blood ineffective as a transporter of oxygen and
  410. nutrients to the body's cells.  Furthermore, the sudden absence of external
  411. pressure balancing the internal pressure of body fluids and gases would rupture
  412. fragile tissues such as eardrums and capillaries.  The net effect on the body
  413. would be swelling, tissue damage, and a deprivation of oxygen to the brain that
  414. would result in unconsciousness in less than 15 seconds.
  415.  
  416.         The temperature range found in outer space provides a second major
  417. obstacle for humans.  The sunlit side of objects in space at Earth's distance
  418. from the Sun can climb to over 120 degrees Celsius while the shaded side can
  419. plummet to lower than minus 100 degrees Celsius. Maintaining a comfortable
  420. temperature range becomes a significant problem.
  421.  
  422.         Other environmental factors encountered in outer space include
  423. weightlessness, radiation of electrically charged particles from the Sun,
  424. ultraviolet radiation, and meteoroids.  Meteoroids are very small bits of rock
  425. and metal left over from the formation of the solar system and from the
  426. collisions of comets and asteroids.  Though usually small in mass, these
  427. particles travel at very high velocities and can easily penetrate human skin
  428. and thin metal.  Equally dangerous is debris from previous space missions.  A
  429. tiny paint chip, traveling at thousands of kilometers per hour, can do
  430. substantial damage.
  431.  
  432. Spacewalking History
  433.  
  434. The Extravehicular Mobility Unit worn during spacewalks by NASA's Space Shuttle
  435. astronauts represents more than 50 years of development and testing of pressure
  436. suits in the U.S., France, Italy, Germany, and other countries.  It all began
  437. with high-altitude flyers, and one of the first was an American, Wiley Post.
  438. Post was an aviation pioneer of the 1930s who was seeking to break
  439. high-altitude and speed records.  Post, as well as others, knew that protection
  440. against low pressure was essential.  Through experience, aviators had learned
  441. that Earth's atmosphere thins out with altitude.
  442.  
  443.         At 5,500 meters, air is only one-half as dense as it is at sea level.
  444. At 12,200 meters, the pressure is so low and the amount of oxygen present is so
  445. small that most living things perish.  For Wiley Post to achieve the altitude
  446. records he sought, he needed protection. (Pressurized aircraft cabins had not
  447. yet been developed.) Post's solution was a suit that could be pressurized by
  448. his airplane engine's supercharger.
  449.  
  450.         First attempts at building a pressure suit failed, since the suit
  451. became rigid and immobile when pressurized.  Post discovered he couldn't move
  452. inside the inflated suit, much less work airplane controls.  A later version
  453. succeeded with the suit constructed already in a sitting position.  This
  454. allowed Post to place his hands on the airplane controls and his feet on the
  455. rudder bars.  Moving his arms and legs was difficult, but not impossible.  To
  456. provide visibility, a viewing port was part of the rigid helmet placed over
  457. Post's head.  The port was small, but a larger one was unnecessary because Post
  458. had only one good eye!
  459.  
  460.         During the next 30 years, pressure suits evolved in many ways, and
  461. technical manufacturing help was gained from companies that made armor, diving
  462. suits, galoshes, and even girdles and corsets.  Designers learned in their
  463. search for the perfect suit that it wasn't necessary to provide full sea-level
  464. pressure.  A suit pressure of 24.13 kilopascals would suffice quite nicely if
  465. the wearer breathed pure oxygen.  Supplying pure oxygen at this low pressure
  466. actually provides the breather with more oxygen than an unsuited person
  467. breathes at sea level. (Only one-fifth of the air at sea level is oxygen.)
  468.  
  469.         Various techniques were used for constructing pressure garments.  Some
  470. approaches employed a rigid layer with special joints of rings or cables or
  471. some other device to permit limb movements.  Others used nonstretch
  472. fabrics--laced up corset fashion.
  473.  
  474.         With the advent of pressurized aircraft cabins, comfort and mobility in
  475. the suit when it was unpressurized became prime objectives in suit design.  The
  476. suit could then be inflated in the event that the aircraft cabin lost pressure.
  477.  
  478.         By the time NASA began the Mercury manned space flight program, the
  479. best full- pressure suit design consisted of an inner gas-bladder layer of
  480. neoprene-coated fabric and an outer restraint layer of aluminized nylon.  The
  481. first layer retained pure oxygen at 34.5 kilopascals; the second layer
  482. prevented the first from expanding like a balloon.  This second fabric
  483. restraint layer directed the oxygen pressure inward on the astronaut.  The
  484. limbs of the suit did not bend in a hinge fashion as do human arms and legs.
  485. Instead, the fabric arms and legs bent in a gentle curve, which restricted
  486. movement.  When the astronaut moved one of his arms, the bending creased or
  487. folded the fabric inward near the joints, decreasing the volume of the suit and
  488. increasing its total pressure slightly.  Fortunately for the comfort of the
  489. Mercury astronauts, the Mercury suit was designed to serve only as a pressure
  490. backup if the spacecraft cabin decompressed.  No Mercury capsule ever lost
  491. pressure during a mission, and the suits remained uninflated.
  492.  
  493.         The six flights of the Mercury series were followed by ten flights in
  494. the Gemini program.  Suit designers were faced with new problems.  Not only
  495. would a Gemini suit have to serve as a pressure backup to the spacecraft cabin,
  496. but also as an escape suit if ejection seats had to be fired for an aborted
  497. launch and as an EMU for extravehicular activity.  To increase mobility and
  498. comfort of the suit for long-term wear, designers departed from the Mercury
  499. suit concept.  Instead of fabric joints, they chose a construction that
  500. employed a bladder restrained by a net.  The bladder was an anthropomorphically
  501. shaped layer of neoprene-coated nylon.  That was covered in turn with a layer
  502. of Teflon-coated nylon netting.  The netting, slightly smaller than the
  503. pressure bladder, limited inflation of the bladder and retained the pressure
  504. load in much the same way automobile tires retained the load in inner tubes in
  505. the days before tubeless tires.  The new spacesuit featured improved mobility
  506. in the shoulders and arms and was more comfortable when worn unpressurized
  507. during space flights lasting as long as 14 days.
  508.  
  509.         The first Gemini astronaut to leave his vehicle ("go EVA") was Ed
  510. White. White exited from the Gemini 4 space capsule on June 3, 1965--just a few
  511. months after Leonov made the first Soviet spacewalk.  For a half hour White
  512. tumbled and rolled in space, connected to the capsule only by an oxygen-feed
  513. hose that served secondary functions as a tether line and a communication link
  514. with the capsule.  Although the term "spacewalk" was coined for the Gemini
  515. program, no actual walking was involved.  On his spacewalk, White used a small
  516. hand-held propulsion gun for maneuvering in space.  When he pulled a trigger,
  517. the gun released jets of nitrogen that propelled him in the opposite direction.
  518. It was the first personal maneuvering unit used in space.
  519.  
  520.         Upon completion of the Gemini program, NASA astronauts had logged
  521. nearly 12 additional hours of EVA experience.  Approximately one-half of that
  522. time was spent merely standing up through the open hatch.
  523.  
  524.         One of the most important lessons learned during the Gemini program was
  525. that EVAs were not as simple as they looked.  Moving around in space required a
  526. great deal of work.  The work could be lessened, however, by extensive training
  527. on Earth. The most effective training took place underwater.  Wearing specially
  528. weighted spacesuits while in a deep tank of water gave later Gemini crewmembers
  529. adequate practice in maneuvers they would soon perform in space.  It was also
  530. learned that a better method of cooling the astronaut was required.  The gas
  531. cooling- system could not remove heat and moisture as rapidly as the astronaut
  532. produced them, and the inside of the helmet visor quickly fogged over, making
  533. it difficult to see.
  534.  
  535.         Following Gemini, the Apollo program added a new dimension in spacesuit
  536. design because actual spacewalks (on the surface of the Moon) were now to occur
  537. for the first time.  As with Mercury and Gemini space garments, Apollo suits
  538. had to serve as a backup pressure system to the space capsule.  Besides
  539. allowing flexibility in the shoulder and arm areas, they also had to permit
  540. movements of the legs and waist.  Astronauts needed to be able to bend and
  541. stoop to pick up samples on the Moon. Suits had to function both in
  542. weightlessness and in the one-sixth gravity of the Moon's surface.
  543. Furthermore, when walking on the Moon, Apollo astronauts needed the flexibility
  544. to roam freely without dragging a cumbersome combination oxygen line and
  545. tether.  A self-contained portable life-support system was needed.
  546.  
  547.         The Apollo spacesuit began with a garment that used water as a coolant.
  548. The garment, similar to long johns but laced with a network of thin-walled
  549. plastic tubing, circulated cooling water around the astronaut to prevent
  550. overheating.  On top of this layer was the pressure garment assembly.  The
  551. innermost layer of this assembly was a comfort layer of lightweight nylon with
  552. fabric ventilation ducts.  This was followed by a multilayered outer suit.  The
  553. innermost layer of this garment was a neoprene-coated nylon bladder surrounded
  554. by a nylon restraint layer.  Improved mobility was achieved by bellows-like
  555. joints of formed rubber with built- in restraint cables at the waist, elbows,
  556. shoulders, wrist, knees, and ankles.  Next followed five layers of aluminized
  557. Mylar for heat protection, mixed with four spacing layers of nonwoven Dacron.
  558. Outside of that were two layers of Kapton and beta marquisette for additional
  559. thermal protection, and these were covered with a nonflammable and
  560. abrasion-protective layer of Teflon-coated filament beta cloth.  The outermost
  561. layer of the suit was white Teflon cloth.  The last two layers were flame
  562. resistant.  In total, the suit layers provided pressure, served as a protection
  563. against heat and cold, and protected the wearer against micrometeoroid impacts
  564. and the wear and tear of walking on the Moon.
  565.  
  566.         Capping off the suit was a communications headset and a clear
  567. polycarbonate-plastic pressure helmet.  Slipped over the top of the helmet was
  568. an assembly consisting of sun-filtering visors and adjustable blinders for
  569. sunlight protection.  The final items of the Apollo spacesuit were custom-sized
  570. gloves with molded silicone-rubber fingertips that provided some degree of
  571. fingertip sensitivity in handling equipment, lunar protective boots, and a
  572. portable life-support system.
  573.  
  574.         The life-support system, a backpack unit, provided oxygen for breathing
  575. and pressurization, water for cooling, and radio communications for lunar
  576. surface excursions lasting up to eight hours.  Furthermore, back inside the
  577. lunar lander the life-support system could be recharged for additional Moon
  578. walks.
  579.  
  580.         During the Apollo program, 12 astronauts spent a total of 161 hours of
  581. EVA on the Moon's surface.  An additional four hours of EVA were spent in
  582. weightlessness while the astronauts were in transit from the Moon to Earth.
  583. During those four hours, a single astronaut, the command module pilot, left the
  584. capsule to retrieve photographic film.  There was no need for the portable
  585. life-support system away from the Moon, as those astronauts were connected to
  586. the spacecraft by umbilical tether lines supplying them with oxygen.
  587.  
  588.         NASA's next experience with EVAs came during the Skylab program and
  589. convincingly demonstrated the need for astronauts on a spacecraft.
  590. Space-suited Skylab astronauts literally saved the Skylab program.
  591.  
  592.         Skylab was NASA's first space station.  It was launched in 1973, six
  593. months after the last Apollo Moon landing.  Trouble developed during the launch
  594. when a micrometeoroid shield ripped away from the station's outer surface.
  595. This mishap triggered the premature deployment of two of the six solar panels,
  596. resulting in one being ripped away by atmospheric friction.  The second was
  597. jammed in a partially opened position by a piece of bent metal.  In orbit,
  598. Skylab received insufficient electrical power from the remaining solar panels:
  599. the station was overheating because of the missing shield.  Instead of
  600. scrapping the mission, NASA assigned the first three- astronaut crew the task
  601. of repairing the crippled station.  While still on board the Apollo command
  602. module, Paul Weitz unsuccessfully attempted to free the jammed solar panel as
  603. he extended himself through the open side hatch.  On board Skylab, the crew
  604. poked an umbrella-like portable heat shield through the scientific airlock to
  605. cover the area where the original shield was torn away.  Later, on an EVA, the
  606. metal holding the jammed solar arrays was cut, and the panel was freed to open.
  607. During an EVA by the second Skylab crew, an additional portable heat shield was
  608. erected over the first.
  609.  
  610.         The Skylab EMU was a simplified version of the Apollo Moon suits.
  611. There was no need for the portable life-support system, because the crewmember
  612. was attached to the station by an umbilical tether that supplied oxygen and
  613. cooling water.  An astronaut life-support assembly, consisting of a
  614. pressure-control unit and an attachment for the tether, was worn on the chest,
  615. and an emergency oxygen package containing two supply bottles was attached to
  616. the right upper leg.  A simplified visor assembly was used over the pressure
  617. helmet.  Lunar protective boots were not needed.  Skylab astronauts logged 17.5
  618. hours of planned EVA for film and experiment retrieval and 65 hours of
  619. unplanned EVA for station repairs.
  620.  
  621. The Space Shuttle EMU
  622.  
  623. The Space Shuttle has opened an entirely new era in space travel.  Launched as
  624. a rocket, the Shuttle operates in space as a spacecraft and returns to Earth as
  625. an airplane.  Both the orbiter and its solid rocket boosters are reusable.
  626. Only the external tank is expended and replaced after each mission.  The
  627. orbiter's payload bay, 18.3 meters long and 4.6 meters in diameter, with its
  628. remote manipulator system (RMS), or mechanical arm, makes the Shuttle a
  629. versatile space transportation system.
  630.  
  631.         A new EMU enhances the Shuttle's overall capabilities.  Like the
  632. spacecraft itself, the new Shuttle EMU is reusable.  The spacesuits used in
  633. previous manned space flight programs were custom built to each astronaut's
  634. body size.  In the Apollo program, for example, each astronaut had three custom
  635. suits--one for flight, one for training, and one for flight backup.  Shuttle
  636. suits, however, are tailored from a stock of standard-size parts to fit
  637. astronauts with a wide range of measurements.
  638.  
  639.         In constructing the new Shuttle spacesuit, developers were able to
  640. concentrate all their designs toward a single function--going EVA. Suits from
  641. earlier manned space flight programs had to serve multiple functions.  They had
  642. to provide backup pressure in case of cabin pressure failure and protection if
  643. ejection became necessary during launch (Gemini missions).  They also had to
  644. provide an environment for EVA in weightlessness and while walking on the Moon
  645. (Apollo missions).  Suits were worn during liftoff and reentry and had to be
  646. comfortable under the high-g forces experienced during acceleration and
  647. deceleration.  Shuttle suits are worn only when it is time to venture outside
  648. the orbiter cabin.  At other times, crewmembers wear comfortable shirts and
  649. slacks, or coveralls.
  650.  
  651. Many Layers
  652.  
  653. The Shuttle EMU has 12 layers to protect astronauts on EVAs. The two inner
  654. layers comprise the liquid-cooling-and-ventilation garment.  It is made of
  655. spandex fabric and plastic tubing.  Next comes the pressure bladder layer of
  656. urethane-coated nylon and fabric layer of pressure-restraining Dacron. This is
  657. followed by a seven-layer thermal micrometeoroid garment of aluminized Mylar,
  658. laminated with Dacron scrim topped with a single-layer fabric combination of
  659. Gortex, Kevlar, and Nomex materials.
  660.  
  661. Shuttle EMU End Items
  662.  
  663. The Shuttle EMU consists of 19 separate items.  Fully assembled, the Shuttle
  664. EMU becomes a nearly complete short-term spacecraft for one person.  It
  665. provides pressure, thermal and micrometeoroid protection, oxygen, cooling
  666. water, drinking water, food, waste collection, (including carbon dioxide
  667. removal), electrical power, and communications.  The EMU lacks only maneuvering
  668. capability, but this capability can be added by fitting a gas-jet- propelled
  669. Manned Maneuvering Unit (MMU) over the EMU's primary life-support system.  On
  670. Earth, the suit and all its parts, fully assembled but without the MMU, weighs
  671. about 113 kilograms.  Orbiting above Earth it has no weight at all.  It does,
  672. however, retain its mass in space, which is felt as resistance to a change in
  673. motion.
  674.  
  675. 1.  Primary Life-Support System (PLSS)
  676.  
  677. A self-contained backpack unit containing an oxygen supply, carbon-dioxide-
  678. removal equipment, caution and warning system, electrical power, water-cooling
  679. equipment, ventilating fan, machinery, and radio.
  680.  
  681. 2.  Displays and Control Module (DCM)
  682.  
  683. Chest-mounted control module containing all controls, a digital display, and
  684. the external liquid, gas, and electrical interfaces.  The DCM also has the
  685. primary purge valve for use with the Secondary Oxygen Pack.
  686.  
  687. 3.  EMU Electrical Harness (EEH)
  688.  
  689. A harness worn inside the suit to provide bioinstrumentation and communications
  690. connections to the PLSS.
  691.  
  692. 4.  Secondary Oxygen Pack (SOP)
  693.  
  694. Two oxygen tanks with a 30-minute emergency supply, valve, and regulators.  The
  695. SOP is attached to the base of the PLSS. The SOP can be removed from the PLSS
  696. for ease of maintenance.
  697.  
  698. 5.  Service and Cooling Umbilical (SCU)
  699.  
  700. Connects the orbiter airlock support system to the EMU to support the astronaut
  701. before EVA and to provide in-orbit recharge capability for the PLSS. The SCU
  702. contains lines for power, communications, oxygen and water recharge, and water
  703. drainage.  The SCU conserves PLSS consumables during EVA preparation.
  704.  
  705. 6.  Battery
  706.  
  707. Supplies electrical power for the EMU during EVA. The battery is rechargeable
  708. in orbit.
  709.  
  710. 7.  Contaminant Control Cartridge (CCC)
  711.  
  712. Cleanses suit atmosphere of contaminants with an integrated system of lithium
  713. hydroxide, activated charcoal, and a filter contained in one unit.  The CCC is
  714. replaceable in orbit.
  715.  
  716. 8.  Hard Upper Torso (HUT)
  717.  
  718. Upper torso of the suit, composed of a hard fiberglass shell.  It provides
  719. structural support for mounting the PLSS, DCM, arms, helmet, In-Suit Drink Bag,
  720. EEH, and the upper half of the waist closure.  The HUT also has provisions for
  721. mounting a mini-workstation tool carrier.
  722.  
  723. 9.  Lower Torso
  724.  
  725. Spacesuit pants, boots, and the lower half of the closure at the waist.  The
  726. lower torso also has a waist bearing for body rotation and mobility, and
  727. brackets for attaching a safety tether.
  728.  
  729. 10.  Arms (left and right)
  730.  
  731. Shoulder joint and armscye (shoulder) bearing, upper arm bearings, elbow joint,
  732. and glove- attaching closure.
  733.  
  734. 11.  EVA Gloves (left and right)
  735.  
  736. Wrist bearing and disconnect, wrist joint, and fingers.  One glove has a
  737. wristwatch sewn onto the outer layer.  The gloves have tethers for restraining
  738. small tools and equipment.  Generally, crewmembers also wear thin fabric
  739. comfort gloves with knitted wristlets under the EVA gloves.
  740.  
  741. 12.  Helmet
  742.  
  743. Plastic pressure bubble with neck disconnect ring and ventilation distribution
  744. pad.  The helmet has a backup purge valve for use with the secondary oxygen
  745. pack to remove expired carbon dioxide.
  746.  
  747. 13.  Liquid Cooling-and-Ventilation Garment (LCVG)
  748.  
  749. Long underwear-like garment worn inside the pressure layer.  It has liquid
  750. cooling tubes, gas ventilation ducting, and multiple water and gas connectors
  751. for attachment to the PLSS via the HUT.
  752.  
  753. 14.  Urine Collection Device (UCD)
  754.  
  755. Urine collection device for male crewmembers consisting of a roll-on cuff and
  756. storage bag.  The UCD is discarded after use.
  757.  
  758. 15.  Disposable Absorption and Containment Trunk (DACT)
  759.  
  760. Urine-collection garment for female crewmembers consisting of a pair of shorts
  761. constructed from five layers of chemically treated absorbent nonwoven fibrous
  762. materials.  The DACT is discarded after use.
  763.  
  764. 16.  Extravehicular Visor Assembly (EVA)
  765.  
  766. Assembly containing a metallic-gold-covered Sun-filtering visor, a clear
  767. thermal impact- protective visor, and adjustable blinders that attach over the
  768. helmet.  In addition, four small "head lamps" are mounted on the assembly; a TV
  769. camera-transmitter may also be added.
  770.  
  771. 17.  In-Suit Drink Bag (IDB)
  772.  
  773. Plastic water-filled pouch mounted inside the HUT. A tube projecting into the
  774. helmet works like a straw.
  775.  
  776. 18.  Communications Carrier Assembly (CCA)
  777.  
  778. Fabric cap with built-in earphones and a microphone for use with the EMU radio.
  779.  
  780. 19.  Airlock Adapter Plate (AAP)
  781.  
  782. Fixture for mounting and storing the EMU inside the airlock and for use as an
  783. aid in donning the suit.
  784.  
  785.  
  786. Putting On the EMU
  787.  
  788. Putting on a Shuttle EMU is a relatively simple operation that can be
  789. accomplished in a matter of about 15 minutes.  However, the actual process of
  790. preparing to go EVA takes much longer.  When working in the Shuttle cabin,
  791. crewmembers breathe a normal atmospheric mix of nitrogen and oxygen at 101
  792. kilopascals.  The suit's atmosphere is pure oxygen at 29.6 kilopascals.  A
  793. rapid drop from the cabin pressure to the EMU pressure could result in a
  794. debilitating ailment that underwater divers sometimes experience--the bends.
  795. The bends, also known as caisson disease, are produced by the formation and
  796. expansion of nitrogen gas bubbles in the bloodstream when a person breathing a
  797. normal air mixture at sea-level pressure is exposed to a rapid drop in external
  798. pressure.  The bends are characterized by severe pains in the joints, cramps,
  799. paralysis, and eventual death if not treated by gradual recompression.  To
  800. prevent an occurrence of the bends, crewmembers intending to go EVA spend a
  801. period of time prebreathing pure oxygen.  During that time, nitrogen gas in the
  802. bloodstream is replaced by pure oxygen.
  803.  
  804.         Prebreathing begins when the crewmembers who plan to go EVA don the
  805. special launch and entry helmets.  For one hour they are attached to the
  806. orbiter's oxygen supply system and breathe pure oxygen.  With a long feeder
  807. hose, they can go about their business and initiate the next phase of
  808. prebreathing.
  809.  
  810.         The atmospheric pressure of the entire orbiter cabin is depressed from
  811. the normal 101 kilopascals to 70.3 pascals while the percentage of oxygen is
  812. slightly increased.  This step must take place at least 24 hours before the
  813. exit into space.  By now, much of the dissolved nitrogen gas has been cleared
  814. from the EVA crewmembers, and they can remove their helmets.  Later, when they
  815. don their spacesuits and seal the helmets, an additional 30 to 40 minutes of
  816. pure oxygen prebreathing takes place before the suits are lowered to their
  817. operating pressure of 29.6 kilopascals.
  818.  
  819.         Most of the EMU-donning process takes place inside the airlock.  The
  820. airlock is a cylindrical chamber located on the orbiter's mid-deck.  One hatch
  821. leads from the middeck into the airlock, and a second hatch leads from the
  822. airlock out to the unpressurized payload bay.
  823.  
  824.         Before entering the hatch, but following their initial prebreathing,
  825. the crewmembers put on the Urine Collection Device or Disposable Absorption and
  826. Containment Trunk. The urine collector for males is simply an adaptation of a
  827. device used by people who have kidney problems.  It is a pouch with a roll-on
  828. connector cuff that can contain approximately one quart of liquid.  The device
  829. for females consists of multilayered shorts that hold a highly absorptive
  830. powder.  This system is also capable of containing about one quart of liquid.
  831.  
  832.         Next comes the Liquid Cooling- and-Ventilation Garment. The LCVG has
  833. the general appearance of long underwear.  It is a one-piece suit with a
  834. zippered front, made of stretchable spandex fabric laced with 91.5 meters of
  835. plastic tubing.  When the EMU is completely assembled, cooling and ventilation
  836. become significant problems.  Body heat, contaminant gases, and
  837. perspiration--all waste products--are contained by the insulation and pressure
  838. layers of the suit and must be removed.  Cooling of the crewmember is
  839. accomplished by circulating chilled water through the tubes.  Chilling the
  840. water is one of the functions of the Primary Life- Support System. The PLSS
  841. device for water cooling and the tubing system are designed to provide cooling
  842. for physical activity that generates up to 2 million joules of body heat per
  843. hour, a rate that is considered "extremely vigorous." (Approximately 160 joules
  844. are released by burning a piece of newsprint one centimeter square.) Ducting
  845. attached to the LCVG ventilates the suit by drawing ventilating oxygen and
  846. expired carbon dioxide from the suit's atmosphere into the PLSS for
  847. purification and recirculation.  Body perspiration is also drawn away from the
  848. suit by the venting system.  These ducts meet at a circular junction on the
  849. back of the LCVG after running along each arm and leg.  Purified oxygen from
  850. the PLSS reenters the suit through another duct, mounted in the back of the
  851. helmet, that directs the flow over the astronaut's face to complete the
  852. circuit.
  853.  
  854.         The EMU electrical harness is attached to the HUT and provides
  855. biomedical and communications hookups with the PLSS. The biomedical hookup
  856. monitors the heart rate of the crewmembers, and this information is radioed via
  857. a link with the orbiter to Mission Control on Earth. When the orbiter is over
  858. ground tracking station, voice communications are also carried on this circuit.
  859.  
  860.         Next, several simple tasks are performed.  Antifog compound is rubbed
  861. on the inside of the helmet.  A wrist mirror and a small spiral-bound 27-page
  862. checklist are put on the left arm of the upper torso.  The wrist mirror was
  863. added to the suit because some of the knobs on the front of the displays and
  864. control module are out of the vision range of the crewmember.  The mirror
  865. permits the knob settings to be read. (Setting numbers are written backwards
  866. for ease of reading in the mirror.)
  867.  
  868.         Another task at this time is to insert a food bar and a water-filled
  869. In-Suit Drink Bag inside the front of the HUT. The food bar of compressed
  870. fruit, grain, and nuts is wrapped in edible rice paper, and its upper end
  871. extends into the helmet area near the crewmember's mouth.  When hungry, the
  872. crewmember bites the bar and pulls it upward before breaking off a piece to
  873. chew.  In that manner, a small piece of the bar remains extended into the
  874. helmet for the next bite.  It is necessary to eat the entire bar at one time,
  875. because saliva quickly softens the protruding food bar, making it mushy and
  876. impossible to break off.  The IDB is placed just above the bar.  The bag is
  877. filled with up to 0.65 liters of water from the water supply in the orbiter's
  878. galley before the airlock is entered.  A plastic tube and valve assembly
  879. extends up into the helmet so that the crewmember can take a drink whenever
  880. needed.  Both the food bar and drink bag are held in place by Velcro
  881. attachments.
  882.  
  883.         During EVAs, the crewmembers may need additional lighting to perform
  884. their tasks.  A light-bar attachment (helmet-mounted light array) is placed
  885. above the helmet visor assembly.  Small built-in flood lamps provide
  886. illumination to places that sunlight and the regular payload bay lights do not
  887. reach.  The EVA light has its own battery system and can be augmented with a
  888. helmet-mountable television camera system with its own batteries and radio
  889. frequency transmitter.  The camera's lens system is about the size of a postage
  890. stamp.  Through this system, the crew remaining inside the orbiter and the
  891. mission controllers on Earth can get an astronaut's eye view of the EVA action.
  892. During complicated EVAs, viewers may be able to provide helpful advice for the
  893. tasks at hand.
  894.  
  895.         Next, the Communications Carrier Assembly (CCA), or "Snoopy cap," is
  896. connected to the EMU electrical harness and left floating above the HUT. The
  897. CCA earphones and microphones are held by a fabric cap.  After the crewmember
  898. dons the EMU, the cap is placed on the head and adjusted.
  899.  
  900.         When the tasks preparatory to donning the suit are completed, the lower
  901. torso, or suit pants, is pulled on.  The lower torso comes in various sizes to
  902. meet the varying size requirements of different astronauts.  It features pants
  903. with boots and joints in the hip, knee, and ankle, and a metal body-seal
  904. closure for connecting to the mating half of the ring mounted on the hard upper
  905. torso.  The lower torso's waist element also contains a large bearing.  This
  906. gives the crewmember mobility at the waist, permitting twisting motions when
  907. the feet are held in workstation foot restraints.
  908.  
  909.         Joints for the lower and upper torsos represent an important advance
  910. over those of previous spacesuits.  Earlier joint designs consisted of hard
  911. rings, bellows-like bends in the pressure bladder, or cable- and
  912. pulley-assisted fabric joints.  The Shuttle EMU joints maintain nearly constant
  913. volume during bending.  As the joints are bent, reductions in volume along the
  914. inner arc of the bend are equalized by increased volume along the outer arc of
  915. the bend.
  916.  
  917.         Long before the upper half of the EMU is donned, the airlock's Service
  918. and Cooling Umbilical is plugged into the Displays and Control Module Panel on
  919. the front of the upper torso.  Five connections within the umbilical provide
  920. the suit with cooling water, oxygen, and electrical power from the Shuttle
  921. itself.  In this manner, the consumables stored in the Primary Life-Support
  922. System will be conserved during the lengthy prebreathing period.  The SCU also
  923. is used for battery and consumable recharging between EVAs.
  924.  
  925.         The airlock of the Shuttle orbiter is only 1.6 meters in diameter and
  926. 2.1 meters high on the inside.  When two astronauts prepare to go EVA, the
  927. space inside the airlock becomes crowded.  For storage purposes and as an aid
  928. in donning and doffing the EMU, each upper torso is mounted on airlock adapter
  929. plates.  Adapter plates are brackets on the airlock wall for supporting the
  930. suits' upper torsos.
  931.  
  932.         With the lower torso donned and the orbiter providing consumables to
  933. the suits, each a crewmember "dives" with a squirming motion into the upper
  934. torso.  To dive into it, the astronaut maneuvers under the body-seal ring of
  935. the upper torso and assumes a diving position with arms extended upward.
  936. Stretching out, while at the same time aligning arms with the suit arms, the
  937. crewmember slips into the upper torso.  As two upper and lower body-seal
  938. closure rings are brought together, two connections are made.  The first joins
  939. the cooling water- tubing and ventilation ducting of the LCVG to the Primary
  940. Life-Support System. The second connects the biomedical monitoring sensors to
  941. the EMU electrical harness that is connected to the PLSS. Both systems are
  942. turned on, and the crewmember then locks the two body-seal closure rings
  943. together, usually with the assistance of another crewmember who remains on
  944. board.
  945.  
  946.         One of the most important features of the upper half of the suit is the
  947. HUT, or Hard Upper Torso. The HUT is a hard fiberglass shell under the fabric
  948. layers of the thermal- micrometeoroid garment.  It is similar to the breast and
  949. back plates of a suit of armor.  The HUT provides a rigid and controlled
  950. mounting surface for the Primary Life-Support System on the back and the
  951. Displays and Control Module on the front.
  952.  
  953.         In the past, during the Apollo Moon missions, donning suits was a very
  954. lengthy process because the life-support system of those suits was a separate
  955. item.  Because the Apollo suits were worn during launch and landing and also as
  956. cabin-pressure backups, a HUT could not be used.  It would have been much too
  957. uncomfortable to wear during the high accelerations and decelerations of
  958. lift-off and reentry.  The life-support system had to be attached to the suit
  959. inside the lunar module.  All connections between PLSS and the Apollo suit were
  960. made at that time and, with two astronauts working in cramped quarters,
  961. preparing for EVA was a difficult process.  The Shuttle suit HUT eliminates
  962. that lengthy procedure because the PLSS is already attached.  It also
  963. eliminates the exposed and vulnerable ventilation and life-support hoses of
  964. earlier EMU designs that could become snagged during EVA.
  965.  
  966.         The last EMU gear to be donned includes eyeglasses if needed, the CCA,
  967. comfort gloves, the helmet with lights and optional TV, and EVA gloves.  The
  968. two gloves have fingertips of silicone rubber that permit some degree of
  969. sensitivity in handling tools and other objects.  Metal rings in the gloves
  970. snap into rings in the sleeves of the upper torso.  The rings in the gloves
  971. contain bearings to permit rotation for added mobility in the hand area.  The
  972. connecting ring of the helmet is similar to the rings used for the body-seal
  973. closure.  Mobility is not needed in this ring, because the inside of the helmet
  974. is large enough for the crewmember's head to move around.  To open or lock any
  975. of the connecting rings, one or two sliding, rectangular- shaped knobs are
  976. moved to the right or the left.  When opened, the two halves of the connecting
  977. rings come apart easily.  To close and lock, one of the rings slides part way
  978. into the other against an O-ring seal.  The knob is moved to the right, and
  979. small pins inside the outer ring protrude into a groove around the inside ring,
  980. thereby holding the two together.
  981.  
  982.         All suit openings have locking provisions that require a minimum of
  983. three independent motions to open.  This feature prevents any accidental
  984. opening of suit connections.
  985.  
  986.         With the donning of the helmet and gloves, the spacesuits are now
  987. sealed off from the atmosphere of the airlock.  The crewmembers are being
  988. supported by the oxygen, electricity, and cooling water provided by the
  989. orbiter.  A manual check of suit seals is made by pressurizing each suit to
  990. 29.6 kilopascals d. (The "d" stands for differential, meaning above the airlock
  991. pressure.) Inside the airlock, the pressure is either 70.3 or 101 kilopascals.
  992. The suit's pressure is elevated an additional 29.6 kilopascals, giving it a
  993. pressure differential above the air lock pressure.  Once pressure reaches the
  994. desired level, the oxygen supply is shut off and the digital display on the
  995. chest-mounted control module is read.  To assist in reading the display, an
  996. optional Fresnel lens inside the space helmet may be used to magnify the
  997. numbers.  Some leakage of spacesuit pressure is normal.  The maximum allowable
  998. rate of leakage of the Shuttle EMU is 1.38 kilopascals per minute, and this is
  999. checked before the suit is brought back down to airlock pressure.
  1000.  
  1001.         As the suit pressure is elevated, crewmembers may experience discomfort
  1002. in their ears and sinus cavities.  They compensate for the pressure change by
  1003. swallowing, yawning, or pressing their noses on an optional sponge mounted to
  1004. the left on the inside of the helmet ring.  Attempting to blow air through the
  1005. nose when pressing the nose on the sponge forces air inside the ears and sinus
  1006. cavities to equalize the pressure.
  1007.  
  1008.         During the next several minutes the two spacesuits are purged of any
  1009. oxygen/nitrogen atmosphere remaining from the cabin; this is replaced with pure
  1010. oxygen.  Additional suit checks are made while the final oxygen prebreathe
  1011. takes place.
  1012.  
  1013.         The inner door of the airlock is sealed, and the airlock pressure
  1014. bleed- down begins.  A small depressurization valve in the airlock latch is
  1015. opened to outside space, permitting the airlock atmosphere to escape.  While
  1016. this is taking place the EMU automatically drops its own pressure to 66.9
  1017. kilopascals and leak checks are conducted.  Failure of the leak test would
  1018. require repressurizing the airlock, permitting the EVA crew to reexamine the
  1019. seals of their suits.
  1020.  
  1021.         Final depressurization is begun by opening the airlock depressurization
  1022. valve.  The outer airlock hatch is then opened and the suited astronauts
  1023. prepare to pull themselves out into the payload bay.  As a safety measure, they
  1024. tether themselves to the orbiter to prevent floating away as they move from
  1025. place to place by hand holds.  It is at this point that they disconnect the
  1026. orbiter Service and Cooling Umbilical from the EMU. The PLSS begins using its
  1027. own supply of oxygen, cooling water, and electricity.  The astronauts pull
  1028. themselves through the outer airlock hatch, and the EVA begins.
  1029.  
  1030. The Primary and Secondary Life- Support Systems
  1031.  
  1032. Astronauts experienced their first real freedom while wearing spacesuits during
  1033. the Apollo Moon- walk EVAs, because of a portable life-support system worn on
  1034. their backs.  All other EVAs up to that time were tied to the spacecraft by the
  1035. umbilical-tether line that supplied oxygen and kept crewmembers from drifting
  1036. away.  In one sense, the tether was a leash, because it limited movements away
  1037. from the spacecraft to the length of the tether.  On the Moon, however,
  1038. astronauts were not hampered by a tether and, in the later missions, were
  1039. permitted to drive their lunar rovers up to 10 kilometers away from the lander.
  1040. (That distance limit was imposed as a safety measure.  It was determined that
  1041. 10 kilometers was the maximum distance an astronaut could walk back to the
  1042. lander if a lunar rover ever broke down.)
  1043.  
  1044.         Space Shuttle astronauts have even greater freedom than the Apollo
  1045. lunar astronauts, because their EVAs take place in the near-weightless
  1046. environment of space.  They do employ tethers when EVAs center in and about the
  1047. Shuttle's payload bay, but those tethers act only as safety lines and do not
  1048. provide life support.  Furthermore, the tethers can be moved from one location
  1049. to another on the orbiter, permitting even greater distances to be covered.
  1050. When activities center some distance from the orbiter, a backpack style of
  1051. maneuvering system is used, limited in mobility only by the amount of
  1052. propellants carried in the system.
  1053.  
  1054.         The freedom of movement afforded to Shuttle astronauts on EVAs is due
  1055. to the Primary Life-Support System carried on their backs.  The PLSS, an
  1056. advanced version of the Apollo system, provides life support, voice
  1057. communications, and biomedical telemetry for EVAs lasting as long as seven
  1058. hours.  Within its dimensions of 80 by 58.4 by 17.5 centimeters, the PLSS
  1059. contains five major groups of components for life support.  Those are the
  1060. oxygen- ventilating, condensate, feedwater, liquid transport, and primary
  1061. oxygen circuits.
  1062.  
  1063.         The oxygen-ventilating circuit is a closed-loop system.  Oxygen is
  1064. supplied to the system from the primary oxygen circuit or from a secondary
  1065. oxygen pack that is added to the bottom of the PLSS for emergency use.  The
  1066. circulating oxygen enters the suit through a manifold built into the Hard Upper
  1067. Torso. Ducting carries the oxygen to the back of the space helmet, where it is
  1068. directed over the head and then downward along the inside of the helmet front.
  1069. Before passing into the helmet, the oxygen warms sufficiently to prevent
  1070. fogging of the visor.  As the oxygen leaves the helmet and travels into the
  1071. rest of the suit, it picks up carbon dioxide and humidity from the crewmember's
  1072. respiration.  More humidity from perspiration, some heat from physical
  1073. activity, and trace contaminants are also picked up by the oxygen as it is
  1074. drawn into the ducting built into the Liquid Cooling-and-Ventilation Garment. A
  1075. centrifugal fan, running at nearly 20,000 rpm, draws the contaminated oxygen
  1076. back into the PLSS at a rate of about 0.17 cubic meters per minute, where it
  1077. passes through the Contaminant Control Cartridge.
  1078.  
  1079.         Carbon dioxide and trace contaminants are filtered out by the lithium
  1080. hydroxide and activated charcoal layers of the cartridge.  The gas stream then
  1081. travels through a heat exchanger and sublimator for removal of the humidity.
  1082. The heat exchanger and sublimator also chill water that runs through the tubing
  1083. in the Liquid Cooling-and-Ventilation Garment. The humidity in the gas stream
  1084. condenses out in the heat exchanger and sublimator.  The relatively dry gas
  1085. (now cooled to approximately 13 degrees Celsius) is directed through a carbon
  1086. dioxide sensor before it is recirculated through the suit.  Oxygen is added
  1087. from a supply and regulation system in the PLSS as needed.  In the event of an
  1088. emergency, a purge valve in the suit can be opened.  The purge valve opens the
  1089. gas-flow loop, permitting the moisture and the carbon dioxide-rich gas to dump
  1090. outside the suit just before it reaches the Contaminant Control Cartridge.
  1091.  
  1092.         One of the by-products of the oxygen-ventilating circuit is moisture.
  1093. The water produced by perspiration and breathing is withdrawn from the oxygen
  1094. supply by being condensed in the sublimator and is carried by the condensate
  1095. circuit. (The small amount of oxygen that is also carried by the condensate
  1096. circuit is removed by a gas separator and returned to the oxygen- ventilating
  1097. system.) The water is then sent to the water-storage tanks of the feedwater
  1098. circuit and added to their supply for eventual use in the sublimator.  In this
  1099. manner, the PLSS is able to maintain suit cooling for a longer period than
  1100. would be possible with just the tank's original water supply.
  1101.  
  1102.         The function of the feedwater and the liquid transport circuits is to
  1103. cool the astronaut.  Using the pressure of oxygen from the primary oxygen
  1104. circuit, the feedwater circuit moves water from the storage tanks (three tanks
  1105. holding a total of 4.57 kilograms of water) to the space between the inner
  1106. surfaces of two steel plates in the heat exchanger and sublimator.  The outer
  1107. side of one of the plates is exposed directly to the vacuum of space.  That
  1108. plate is porous and, as water evaporates through the pores, the temperature of
  1109. the plate drops below the freezing point of water.  Water still remaining on
  1110. the inside of the porous plate freezes, sealing off the pores.  Flow in the
  1111. feedwater circuit to the heat exchanger and sublimator then stops.
  1112.  
  1113.         On the opposite side of the other steel plate is a second chamber
  1114. through which water from the liquid transport circuit passes.  The liquid
  1115. transport circuit is a closed- loop system that is connected to the plastic
  1116. tubing of the Liquid Cooling-and-Ventilation Garment. Water in this circuit,
  1117. driven by a pump, absorbs body heat.  As the heated water passes to the heat
  1118. exchanger and sublimator, heat is transferred through the aluminum wall to the
  1119. chamber with the porous wall.  The ice formed in the pores of that wall is
  1120. sublimated by the heat directly into gas, permitting it to travel through the
  1121. pores into space.  In this manner, water in the transport circuit is cooled and
  1122. returned to the LCVG. The cooling rate of the sublimator is determined by the
  1123. work load of the astronaut.  With a greater work load, more heat is released
  1124. into the water loop, causing ice to be sublimated more rapidly and more heat to
  1125. be eliminated by the system.
  1126.  
  1127.         The last group of components in the Primary Life-Support System is the
  1128. primary oxygen circuit.  Its two tanks contain a total of 0.54 kilograms of
  1129. oxygen at a pressure of 5,860.5 kilopascals, enough for a normal seven-hour
  1130. EVA. The oxygen of this circuit is used for suit pressurization and breathing.
  1131. Two regulators in the circuit step the pressure down to usable levels of 103.4
  1132. kilopascals and 29.6 kilopascals.  Oxygen coming from the 103.4- kilopascal
  1133. regulator pressurizes the water tanks, and oxygen from the 29.6-kilopascal
  1134. regulator goes to the ventilating circuit.
  1135.  
  1136.         To insure the safety of astronauts on EVAs, a Secondary Oxygen Pack is
  1137. added to the bottom of the PLSS. The two small tanks in this system contain 1.2
  1138. kilograms of oxygen at a pressure of 41,368.5 kilopascals.  The Secondary
  1139. Oxygen Pack can be used in an open-loop mode by activating a purge valve or as
  1140. a backup supply should the primary system fall to 23.79 kilopascals.
  1141.  
  1142.         If the Displays and Control Module purge valve (discussed below) is
  1143. opened, used- oxygen contaminants and collected moisture dump directly out of
  1144. the suit into space.  Because oxygen is not conserved and recycled in this
  1145. mode, the large quantity of oxygen contained in the SOP is consumed in only 30
  1146. minutes.  This half-hour still gives the crewmember enough time to return to
  1147. the orbiter's airlock.  If carbon dioxide control is required, the helmet purge
  1148. valve may be opened.  That valve has a lower flow rate than the DCM valve.
  1149.  
  1150. Displays and Control Module
  1151.  
  1152. The PLSS is mounted directly on the back of the Hard Upper Torso, and the
  1153. controls to run it are mounted on the front.  A small irregularly shaped box,
  1154. the Displays and Control Module, houses a variety of switches, valves, and
  1155. displays.  Along the DCM top are four switches for power, feedwater,
  1156. communications mode selection, and caution and warning.  A suit- pressure purge
  1157. valve projects from the top at the left for use with the emergency oxygen
  1158. system.  Near the front on the top is an alpha-numeric display.  A
  1159. microprocessor inside the PLSS permits astronauts to monitor the condition of
  1160. the various suit circuits by reading the data on the display.
  1161.  
  1162.         Stepped down from the top of the DCM, on a small platform to the
  1163. astronaut's right, is a ventilation-fan switch and a push-to-talk switch. (The
  1164. astronaut has the option of having the radio channel open at all times or only
  1165. when needed.) On a second platform, to the left, is an illuminated
  1166. mechanical-suit pressure gauge.  At the bottom, on the front of the DCM, are
  1167. additional controls for communications volume, display lighting intensity, and
  1168. oxygen flow.
  1169.  
  1170. Working In Space
  1171.  
  1172. One of the great advantages of working in space is that objects, including the
  1173. astronauts themselves, have no weight.  Regardless of the weight of an object
  1174. on Earth, a single crew- member can move and position that object in orbit with
  1175. ease provided that the crewmember has a stable platform from which to work.
  1176. Without that platform, any force exerted to move an object will be met with a
  1177. corresponding motion of the astronaut in the opposite direction.  A simple
  1178. Earth task, such as turning a nut with a wrench, can become quite difficult,
  1179. because the astronaut--and not the nut--may turn.
  1180.  
  1181.         The physics of working in space is the same as that of working on
  1182. Earth. All people and things contain matter and have mass.  Because of that
  1183. mass, they resist any change in motion.  Physicists refer to that resistance as
  1184. inertia.  The greater the mass, the greater the inertia.  To change the motion
  1185. of objects, an application of force is required.  According to Sir Isaac
  1186. Newton's Third Law of Motion, a force causing an object to move one way is met
  1187. with an equal and opposite force in the other direction.  The third law is more
  1188. familiarly stated as, "For every action there is an equal and opposite
  1189. reaction." A person planted firmly on the ground can lift heavy objects because
  1190. the equal and opposite force is directed downward through the legs and feet.
  1191. The inertia of Earth is so great that the corresponding response to that
  1192. downward force is infinitesimal.
  1193.  
  1194.         In space, astronauts do not have the advantage of having a planet to
  1195. stand on to absorb the equal and opposite force during work activities.
  1196. Although orbiting objects do not have the property of weight, they still resist
  1197. change in motion.  Pushing on an object causes the object and the crewmember to
  1198. float away in opposite directions.  To gain any advantage over objects, the
  1199. crewmember must be braced by a stable platform, such as the massive and
  1200. actively stabilized Shuttle orbiter itself, or must have a self-contained
  1201. maneuvering system--a kind of "rocket" backpack.
  1202.  
  1203. Manned Maneuvering Unit
  1204.  
  1205. During the first American EVA, Ed White experimented with a personal propulsion
  1206. device, the Hand-Held Maneuvering Unit (HHMU).  The HHMU tested by White was a
  1207. three- jet maneuvering gun.  Two jets were located at the ends of rods and
  1208. aimed back, so that firing them pulled White forward.  A third jet was aimed
  1209. forward to provide a braking force.  By holding the gun near his center of mass
  1210. and aiming it in the direction in which he wanted to travel, he was able to
  1211. propel himself forward.  Stopping that movement required firing the center jet.
  1212. The propulsive force of the HHMU was produced by releasing compressed oxygen
  1213. from two small built-in tanks.
  1214.  
  1215.         Although the HHMU worked as intended, it had two disadvantages.  To
  1216. produce the desired motion, it had to be held as close to the astronaut's
  1217. center of mass as possible.  Determining the center position was difficult
  1218. because of the bulky spacesuit White wore, and was a matter of guesswork and
  1219. experience.  Furthermore, precise motions to position an astronaut properly
  1220. during an activity such as servicing a satellite were difficult to achieve and
  1221. maintain, and proved physically exhausting.
  1222.  
  1223.         On the Gemini 9 mission, a backpack maneuvering unit was carried.
  1224. However, problems with the unit prevented Gene Cernan from testing it.
  1225.  
  1226.         Following the Gemini program, the next space experiments that tested
  1227. maneuvering units for EVAs took place during the second and third manned Skylab
  1228. missions.  The device was tested only inside the spacecraft, but the experiment
  1229. confirmed that a maneuvering device of that design was both feasible and
  1230. desirable for future EVA use.  The experiments were dubbed M-509. Five of the
  1231. six astronauts who flew in those two missions accumulated a total of 14 hours
  1232. testing the advanced device, called the AMU, or Astronaut Maneuvering Unit. The
  1233. AMU was shaped like a large version of a hiker's backpack.  Built into the
  1234. frame was a replaceable tank of compressed nitrogen gas.  Controls for the unit
  1235. were placed at the ends of "arm rests." To move, the astronaut worked
  1236. rotational and translational, or nonrotational, hand controls.  Propulsive jets
  1237. of nitrogen gas were released from various nozzles spaced around the unit.  The
  1238. 14 nozzles were arranged to aim top-bottom, front-back, and right-left to
  1239. produce six degrees of freedom in movement.  The AMU could move forward and
  1240. back, up and down, and side to side, and could roll, pitch, and yaw.  With the
  1241. 11 additional nozzles, precise positioning with the AMU was far simpler than
  1242. with the HHMU of the Gemini program.  The astronaut was surrounded by the unit,
  1243. taking the guesswork out of determining center of mass and making control much
  1244. more accurate.  The astronaut could move closely along the surface of a curved
  1245. or irregularly shaped object without making contact with it.
  1246.  
  1247.         The Manned Maneuvering Unit of the Space Shuttle is an advanced version
  1248. of the Skylab AMU. It is designed to operate in the weightless environment of
  1249. outer space and under the temperature extremes found there.  The MMU is
  1250. operated by a single space- suited astronaut.  The unit features redundancy to
  1251. protect against failure of individual systems.  It is designed to fit over the
  1252. life-support system backpack of the Shuttle EMU.
  1253.  
  1254.         The MMU is approximately 127 centimeters high, 83 centimeters wide, and
  1255. 69 centimeters deep.  When carried into space by the Shuttle, it is stowed in a
  1256. support station attached to the wall of the payload bay near the airlock hatch.
  1257. Two MMUs are normally carried on a mission, and the second unit is mounted
  1258. across from the first on the opposite payload bay wall.  The MMU controller
  1259. arms are folded for storage, but when an astronaut backs into the unit and
  1260. snaps the life-support system into place, the arms are unfolded.  Fully
  1261. extended, the arms increase the depth of the MMU to 122 centimeters.  To adapt
  1262. to astronauts with different arm lengths, controller arms can be adjusted over
  1263. a range of approximately 13 centimeters.  The MMU is small enough to be
  1264. maneuvered with ease around and within complex structures.  With a full
  1265. propellant load, its mass is 148 kilograms.
  1266.  
  1267.         Gaseous nitrogen is used as the propellant for the MMU. Two aluminum
  1268. tanks with Kevlar filament overwrappings contain 5.9 kilograms of nitrogen each
  1269. at a pressure of 20.68 kilopascals, enough propellant for a six-hour EVA,
  1270. depending on the amount of maneuvering done.  In normal operation, each tank
  1271. feeds one system of thrusters.  In the event some of the thrusters fail,
  1272. crossfeed valves may be used to connect the two systems, permitting all
  1273. propellant from both tanks to be used.  At the direction of the astronaut,
  1274. through manual control or at the direction of an automatic attitude-hold
  1275. system, propellant gas is moved through feed lines to varying combinations of
  1276. 24 nozzles arranged in clusters of three each on the eight corners of the MMU.
  1277. The nozzles are aimed along three axes perpendicular to each other and permit
  1278. six degrees of freedom of movement.  To operate the propulsion system, the
  1279. astronaut uses his or her fingertips to manipulate hand controllers at the ends
  1280. of the MMU's two arms.  The right-hand controller produces rotational
  1281. acceleration for roll, pitch, and yaw.  The left controller produces
  1282. acceleration without rotation for moving forward-back, up-down, and left-right.
  1283. Orders pass from the hand controls through a small logic unit (Control
  1284. Electronics Assembly) that operates the appropriate thrusters for achieving the
  1285. desired acceleration.  Coordination of the two controllers produces intricate
  1286. movements in the unit.  Once a desired orientation has been achieved, the
  1287. astronaut can engage an automatic attitude-hold function that maintains the
  1288. inertial attitude of the unit in flight.  This frees both hands for work.  Any
  1289. induced rotations produced by the astronaut's manipulating payloads and
  1290. equipment or by changes in the center of gravity are automatically countered
  1291. when sensed by small gyros.
  1292.  
  1293.  
  1294.  
  1295.  
  1296. Using the MMU
  1297.  
  1298. When it becomes necessary to use the MMU, an astronaut first enters the
  1299. orbiter's airlock and dons a spacesuit.  Exiting into space, the astronaut
  1300. attaches a safety tether and moves along handholds to the MMU. The maneuvering
  1301. unit is attached to the payload-bay wall with a framework that has stirrup-like
  1302. foot restraints.  Facing the MMU and with both feet in the restraints, the
  1303. crewmember visually inspects the unit.  If battery replacement is necessary or
  1304. if the propellant tanks need recharging, those tasks can be accomplished at
  1305. this time.  When ready, the astronaut turns around and backs into position.
  1306. The life-support system of the suit locks into place, hand-controller arms are
  1307. unfolded and extended, and the MMU is released from the frame.
  1308.  
  1309.         While maneuvering, the astronaut must use visual cues to move from one
  1310. location to another.  No other guidance system is necessary.  The only contact
  1311. with the orbiter during maneuvering is through the EMU radio
  1312. voice-communication equipment.
  1313.  
  1314.         While flying the MMU, the crewmember keeps track of the propellant
  1315. supply with two gauges located on either side of his or her head.  Keeping
  1316. track of the supply is important because when it is depleted no additional
  1317. maneuvering is possible.  This means that the astronaut must keep in reserve
  1318. for the return to the orbiter at least as much propellant as was expended in
  1319. flying out to the satellite.  The rest of the load can be used for maneuvering
  1320. on station with the target.  Generally, a total velocity change of 20.1 meters
  1321. per second is possible on one flight.  Furthermore, that delta velocity, as it
  1322. is called, must be divided in half so that propellant will be available for the
  1323. trip back.  It is divided in half again to allow for rotational accelerations.
  1324. Generally, astronauts fly the MMU at velocities of only 0.3 to 0.6 meters per
  1325. second relative to the Shuttle. While these velocities may seem small, they
  1326. accomplish much in the weightless environment of Earth orbit.  Once an
  1327. astronaut begins moving in a new direction or at a new velocity, he or she will
  1328. keep moving indefinitely until an opposing thrust is applied.
  1329.  
  1330.         Upon completion of assigned tasks, the astronaut returns to the payload
  1331. bay and reverses the unstowing procedure.  To assist in realignment with the
  1332. mounting frame, large mushroom-like knobs, built into the frame, are available
  1333. for grasping by the crewmember as he or she pushes backwards onto the frame.
  1334.  
  1335. Future Space Suits
  1336.  
  1337. The Space Shuttle Extravehicular Mobility Unit, Manned Maneuvering Unit, and
  1338. all the associated EVA systems are the result of many years of research and
  1339. development.  They now comprise a powerful tool for orbital operations, but
  1340. they are not end-of-the-line equipment.  Many improvements are possible: the
  1341. spacesuit of the future may look dramatically different from the Space Shuttle
  1342. EMU.
  1343.  
  1344.         Advanced versions of the EMU are being studied, including spacesuits
  1345. that operate at higher pressures than the current EMU. The advantage of higher
  1346. operating pressures is that virtually no time will be lost to prebreathing in
  1347. preparation for EVA.
  1348.  
  1349.         To build an operational high-pressure suit requires improved joint
  1350. technology and integration of those joints into the suit.  Under consideration
  1351. are fabric and metal suits and suits with a hard external shell.  Most of the
  1352. technology needed for these suits has already been tested.  One of the biggest
  1353. challenges is to make a highly mobile glove.  At higher operating pressures,
  1354. fingers of older-style spacesuit gloves become so increasingly stiff that
  1355. finger dexterity is severely reduced.  Research to address this problem has led
  1356. to the development of high-pressure gloves made with metal bands for knuckle
  1357. and palm joints.  These gloves show potential for use with future suits as well
  1358. as with current suits.
  1359.  
  1360.         Another potential advantage of high-pressure suits is that they can be
  1361. designed to be serviced and resized in orbit.  Current EMUs can be used in
  1362. space for up to 21 hours before they have to be completely cleaned and checked
  1363. out on Earth. One new EMU potentially could be used for several hundred hours
  1364. in space before a return to Earth is necessary.  This capability will be vital
  1365. when the United States constructs its first permanent space station in orbit.
  1366. There, crewmembers will remain in space for months at a time, and EVAs for
  1367. station maintenance could become a routine event.
  1368.  
  1369.         Another suit improvement is a "heads-up display" for reading the
  1370. instruments on the EMU chest-mounted displays and control module.  Heads-up
  1371. displays are currently being used in the cockpits of commercial and military
  1372. aircraft as well as on the flight deck of the Shuttle orbiter.  These displays
  1373. reflect instrument readings on a transparent screen so that a pilot can look
  1374. straight out the window while landing instead of continually tilting his or her
  1375. head down to check readings.  A heads-up display should make DCM readings
  1376. easier to see in sunlight and eliminate the need for Fresnel lenses or bifocals
  1377. for some crewmembers.
  1378.  
  1379.         The Manned Maneuvering Unit is also undergoing redesign.  Although the
  1380. exterior of the MMU is likely to remain the same, important changes are due on
  1381. the inside.  Larger nitrogen tanks, with greater operating pressures, could
  1382. lead to substantially increased operational range in space.
  1383.  
  1384.         Still further into the future, spacesuits will change to meet the
  1385. demands of new missions.  For the most part, the design of a spacesuit is based
  1386. on the environment in which it is designed to operate.  Space Shuttle
  1387. spacesuits for use in Earth orbit are designed to operate in a vacuum and
  1388. weightlessness.  A spacesuit for use on the surface of Mars, however, will
  1389. require a different design.  A Space Shuttle style of spacesuit would weigh
  1390. about 43 kilograms on Mars. Consequently, lighter EMU structures will be needed
  1391. to lessen the load a future Martian explorer will carry.  In addition, the thin
  1392. Martian atmosphere provides too much pressure for a cooling sublimator to work.
  1393. Some other cooling strategy will have to be devised.  Still another concern is
  1394. to provide protection from dust that is carried by Martian winds and will be
  1395. kicked up by the explorers.  These and other properties of the Martian
  1396. environment provide interesting and exciting challenges to spacesuit designers
  1397. and builders.
  1398.  
  1399. EVA
  1400.  
  1401. Starting with Edward White's spacewalk in 1965, American astronauts have logged
  1402. many hundreds of hours of extravehicular activity in space.  Mission planners
  1403. correctly foresaw the role EVA would play in future space missions.  The early
  1404. Gemini experience was primarily experimental.  During the Apollo and Skylab
  1405. programs, EVA was critical to success.  With the Space Shuttle, it is even more
  1406. critical.  The Shuttle, in spite of its complexity, is really a kind of space
  1407. truck.  It is a means--an economical transportation system--for getting
  1408. payloads into space and returning them to Earth. Enhancing the Shuttle's
  1409. capability is the Extravehicular Mobility Unit. By donning the EMU and
  1410. attaching a Manned Maneuvering Unit, an astronaut becomes a small, short-term
  1411. spacecraft.  Space-suited crewmembers can manipulate payloads, make
  1412. adjustments, repair broken parts, join pieces together, and handle a host of
  1413. other activities.  Most important, they bring with them the human ability to
  1414. cope with unexpected or unusual situations that occur in the hard and
  1415. unforgiving vacuum of outer space.
  1416.  
  1417.         With the capability of astronauts to go EVA, the Space Shuttle is more
  1418. than just a transportation system.  It is a satellite servicing vehicle, a
  1419. space structure assembly base, an assembly tool for future space station
  1420. construction, and a way station for preparing for deep space research missions.
  1421. EVA is a vital part of America's future in space.
  1422.  
  1423.  
  1424.  
  1425. Classroom Activities
  1426.  
  1427.  
  1428. The activities and related student projects that follow emphasize hands-on
  1429. involvement of the students.  Where possible, they make use of inexpensive and
  1430. easy-to-find materials and tools.  The activities are arranged into four basic
  1431. units, each relating to a different aspect of spacesuits and spacewalking.
  1432.  
  1433. Unit 1: Investigating the Space Environment
  1434.  
  1435. Objectives: To demonstrate how very different the space environment is from the
  1436. environment at the surface of Earth.
  1437.  
  1438.                 To illustrate why spacesuits must be worn by astronauts going
  1439. on a spacewalk.
  1440.  
  1441. Unit 2: Dressing for Spacewalking
  1442.  
  1443. Objectives: To demonstrate how spacesuits create a livable environment for
  1444. astronauts.
  1445.  
  1446.                   To illustrate some of the complexities involved in
  1447. constructing a usable spacesuit.
  1448.  
  1449. Unit 3: Moving and Working in Space
  1450.  
  1451. Objective: To experience the problems astronauts face when trying to move and
  1452. work in space and understand how those problems are solved.
  1453.  
  1454. Unit 4: Exploring the Surface of Mars
  1455.  
  1456. Objective: To design, through a team effort, a spacesuit for future use on the
  1457. planet Mars.
  1458.  
  1459.  
  1460.  
  1461. Unit 1: Investigating the Space Environment
  1462.  
  1463. ACTIVITY 1: A Coffee Cup Demonstrates Weightlessness
  1464.  
  1465. TOPIC: Weightlessness in space
  1466.  
  1467. DESCRIPTION: A stream of water coming out of a hole in a cup stops when the cup
  1468. is dropped.
  1469.  
  1470. MATERIALS NEEDED:
  1471. Styrofoam or paper coffee cup
  1472. Pencil or other pointed object
  1473. Water
  1474. Bucket or other catch basin
  1475.  
  1476. PROCEDURE:
  1477.  
  1478. Step 1.  Punch a small hole in the side of the cup near its bottom.
  1479.  
  1480. Step 2.  Hold your thumb over the hole as you fill the cup with water.  Ask
  1481. students what will happen if you remove your thumb.
  1482.  
  1483. Step 3.  Remove your thumb and let the water stream out into the catch basin on
  1484. the floor.
  1485.  
  1486. Step 4.  Again seal the hole with your thumb and refill the cup.  Ask students
  1487. if the water will stream out of the hole if you drop the cup.
  1488.  
  1489. Step 5.  Drop the filled cup into the catch basin.  The demonstration is more
  1490. effective if you hold the cup high before dropping it.
  1491.  
  1492. DISCUSSION:
  1493.  
  1494. Earth-orbiting spacecraft experience a condition described as weightlessness.
  1495. The spacecraft is in a state of free-fall as it orbits.  If the spacecraft has
  1496. astronauts on board, the astronauts are able to move about with ease because
  1497. they too are in a state of free-fall.  In other words, everything in their
  1498. immediate world is falling together.  This creates the weightless condition.
  1499. Crewmembers and all the other contents of the spacecraft seemingly float
  1500. through the air.
  1501.  
  1502. On Earth, momentary weightlessness can be created in a number of ways.  Some
  1503. amusement parks achieve a second or two of weightlessness in certain wild
  1504. high-tech rides.  A springboard diver feels a moment of weightlessness at the
  1505. top of a spring just as the upward motion stops and just before the downward
  1506. tumbling motion to the water below begins.  As the diver falls, friction with
  1507. air quickly offsets the weightless sensation and produces drag that returns at
  1508. least a portion of the diver's weight before the water is struck.  NASA
  1509. eliminates the air friction problem and achieves about 30 seconds of
  1510. weightlessness with a special airplane.  High above Earth, the plane begins a
  1511. long arc-like dive downward at a speed equal to the acceleration of a falling
  1512. object.  After 30 seconds, the plane pulls out of the dive and climbs back to
  1513. the high altitude to begin another weightless cycle.  The airplane's skin and
  1514. engine thrust during the dive totally negate air friction on the people and
  1515. experiments in the plane.
  1516.  
  1517. The falling cup for a moment demonstrates weightlessness (or zero-g).  When the
  1518. cup is stationary, water freely pours out of the cup.  If the cup falls, the
  1519. water remains inside the cup for the entire fall.  Even though the water
  1520. remains inside, it is still attracted to Earth by gravity and ends up in the
  1521. same place that the water from the first experiment did.
  1522.  
  1523. The demonstration works best when students are asked to predict what will
  1524. happen when the cup is dropped.  Will the water continue to pour out the hole
  1525. as the cup falls?  If your school has videotape equipment, you may wish to
  1526. videotape the demonstration and then use the slow motion controls on the
  1527. playback machine to replay the action.
  1528.  
  1529. ADDITIONAL DEMONSTRATIONS ON WEIGHTLESSNESS:
  1530.  
  1531. * Place a heavy book on a bathroom scale.  Note the book's weight.  Drop the
  1532. book and scale together from a height of about a meter on to a mattress or some
  1533. pillows.  As it drops, quickly observe the book's weight. (The book's weight
  1534. becomes zero as it falls.)
  1535.  
  1536. * Cut a small hole in the lid of a clear plastic jar.  Drill a hole into a cork
  1537. stopper and insert one end of a drinking straw into the stopper.  Fill the jar
  1538. with water and place the cork inside the jar with the straw extending through
  1539. the hole.  Push the cork to the bottom.  Hold the jar a couple of meters off
  1540. the floor and drop it into someone's hands.  As it falls, watch the cork and
  1541. straw. (During free-fall, the buoyancy of the cork disappears.)
  1542.  
  1543. * Obtain a clear plastic tube (hard or soft plastic but not glass) from a
  1544. hardware store.  Cap one end of the tube, fill with colored water, and cap the
  1545. other end.  A small amount of air remaining in the tube will form a bubble.
  1546. Hold the tube upright so that the bubble begins rising from the bottom.  When
  1547. the bubble is halfway to the top, toss the tube to someone near you.  Observe
  1548. where the bubble is when the tube is caught by the other person. (The bubble
  1549. stops rising to the top while the tube travels through the air.)
  1550.  
  1551. ACTIVITY 2: Meteoroids and Space Debris
  1552.  
  1553. TOPIC: Potential hazard to spacewalkers from meteoroids and space debris
  1554.  
  1555. DESCRIPTION: The penetrating power of a projectile with a small mass but high
  1556. velocity is demonstrated.
  1557.  
  1558. MATERIALS NEEDED:
  1559. Raw baking potato
  1560. Large-diameter plastic straw
  1561.  
  1562. PROCEDURE:
  1563.  
  1564. Step 1.  Hold a raw potato in one hand.  While grasping the straw with the
  1565. other hand, stab the potato with a quick, sharp motion.  The straw should
  1566. penetrate completely through the potato.  Caution: Be careful not to strike
  1567. your hand.
  1568.  
  1569. Step 2.  Again hold the potato and this time stab it with the straw using a
  1570. slow push.  The straw should bend before penetrating the potato very deeply.
  1571.  
  1572. DISCUSSION:
  1573.  
  1574. Astronauts on spacewalks are likely to encounter fast-moving rocky particles
  1575. called meteoroids.  A meteoroid can be very large with a mass of several
  1576. thousand metric tons, or it can be very small--a micrometeoroid about the size
  1577. of a grain of sand.  Every day Earth's atmosphere is struck by hundreds of
  1578. thousands or even millions of meteoroids, but most never reach the surface
  1579. because they are vaporized by the intense heat generated when they rub against
  1580. the atmosphere.  It is rare for a meteoroid to be large enough to survive the
  1581. descent through the atmosphere and reach solid Earth. If it does, it is called
  1582. a meteorite.
  1583.  
  1584. In space there is no blanket of atmosphere to protect spacecraft from the full
  1585. force of meteoroids.  It was once believed that meteoroids traveling at
  1586. velocities averaging 80 kilometers per second would prove a great hazard to
  1587. spacecraft.  However, scientific satellites with meteoroid detection devices
  1588. proved that the hazard was minimal.  It was learned that the majority of
  1589. meteoroids are too small to penetrate the hull of spacecraft.  Their impacts
  1590. primarily cause pitting and sandblasting of the covering surface.
  1591.  
  1592. Of greater concern to spacecraft engineers is a relatively recent problem--
  1593. spacecraft debris.  Thousands of space launches have deposited many fragments
  1594. of launch vehicles, paint chips, and other "space trash" in orbit.  Most
  1595. particles are small, but traveling at speeds of nearly 30,000 kilometers per
  1596. hour, they could be a significant hazard to spacecraft and to astronauts
  1597. outside spacecraft on extravehicular activities.
  1598.  
  1599. Engineers have protected spacecraft from micrometeoroids and space trash in a
  1600. number of ways, including construction of double-walled shields.  The outer
  1601. wall, constructed of foil and hydrocarbon materials, disintegrates the striking
  1602. object into harmless gas that disperses on the second wall.  Spacesuits provide
  1603. impact protection through various fabric-layer combinations and strategically
  1604. placed rigid materials.
  1605.  
  1606. Although effective for particles of small mass, these protective strategies do
  1607. little if the particle is large.  It is especially important for spacewalking
  1608. astronauts to be careful when they repair satellites or do assembly jobs in
  1609. orbit.  A lost bolt or nut could damage a future space mission through an
  1610. accidental collision.
  1611.  
  1612. ADDITIONAL DEMONSTRATION ON METEOROIDS AND SPACE DEBRIS:
  1613.  
  1614. * Aim a pea shooter at a piece of tissue paper taped to a cardboard frame.  Aim
  1615. the shooter at the tissue paper and blow hard into the shooter to accelerate
  1616. the pea to the tissue at a high velocity.  Drop the pea on to the tissue paper
  1617. from a height of two meters.  In the first demonstration the pea will penetrate
  1618. the tissue, but in the second the pea will bounce.
  1619.  
  1620.  
  1621.  
  1622. ACTIVITY 3: Air Pressure Can Crusher
  1623.  
  1624. TOPIC: Vacuums
  1625.  
  1626. DESCRIPTION: Air pressure exerts a force that crushes an aluminum beverage can.
  1627.  
  1628. MATERIALS NEEDED:
  1629. Aluminum beverage can
  1630. Tongs to hold the can 
  1631. Dish of cold water
  1632. Heat source (propane torch set at low  flame, alcohol lamp)
  1633. Eye protection for demonstrator
  1634. Towel for cleanup
  1635.  
  1636.  
  1637. PROCEDURE:
  1638.  
  1639. Step 1.  Place approximately 30 ml of water in the can and heat it to boiling.
  1640. Permit the water to boil for at least 30 seconds before removing it from the
  1641. heat.
  1642.  
  1643. Step 2.  Immediately invert the can and thrust its top (end with the opening) a
  1644. short distance into the cold water.  The can will collapse implosively.
  1645. Caution: Avoid splashing the boiling water.
  1646.  
  1647.  
  1648. DISCUSSION:
  1649.  
  1650. The crushed can in this activity demonstrates the force of air pressure.  An
  1651. absence of pressure is a deadly hazard of space flight.
  1652.  
  1653. The can collapses because a partial vacuum has been created inside and its
  1654. metal walls are not strong enough to sustain its original shape against the
  1655. outside air pressure.  The first step in creating the vacuum is to boil the
  1656. water inside the can to produce steam.  After approximately 30 seconds of
  1657. boiling, the air in the can is replaced by the steam.  When the can is inverted
  1658. into the cold water, a rapid temperature drop takes place, causing the steam to
  1659. return to water drops.  What is left is a vacuum.  Since the opening of the can
  1660. is sealed with water in the dish, the can collapses before water in the dish
  1661. has a chance to fill the void.
  1662.  
  1663. The amount of air pressure on the can may be calculated by determining the
  1664. surface area of the can and multiplying this by a sea-level air pressure of 101
  1665. kilopascals:
  1666.  
  1667. Surface area of can = area of cylinder + area of 2 ends
  1668.                         or
  1669. Surface area of can = 2 pi r x length  + 2 x pi r squared
  1670.  
  1671.  
  1672.  
  1673. ACTIVITY 4:  Boiling Water With Ice
  1674.  
  1675. TOPIC: Vacuums
  1676.  
  1677. DESCRIPTION: A sealed flask of hot water is brought to a boil by immersing it
  1678. in ice water.
  1679.  
  1680. MATERIALS NEEDED:
  1681. Pyrex glass boiling flask (round or flat bottom)
  1682. Solid rubber stopper to fit flask
  1683. Bunsen burner or propane torch (flame spreader optional)
  1684. Ring stand and clamp
  1685. Aquarium filled with ice water 
  1686. Eye protection for anyone standing near the boiling flask
  1687.  
  1688. PROCEDURE:
  1689.  
  1690. STEP 1.  Fill the flask to about one-third capacity with water and attach to
  1691. the ring stand.
  1692.  
  1693. STEP 2.  Heat the bottom of the flask until the water begins to boil.
  1694.  
  1695. STEP 3.  Remove the heat source.  When the boiling stops, insert the stopper.
  1696.  
  1697. STEP 4.  Free the clamp from the stand and immerse the entire flask in the
  1698. aquarium.  Be sure the side of the aquarium is wiped free of condensation so
  1699. that the flask can easily be seen.  Observe what happens to the water in the
  1700. flask.
  1701.  
  1702. DISCUSSION:
  1703.  
  1704. Water boils when its temperature reaches 100 degrees C. The act of boiling
  1705. changes the state of matter from liquid into gas.  In doing so, heat is carried
  1706. away by the gas, so that the remaining liquid cools below the boiling point.
  1707. Consequently, continuous heating is necessary until all the liquid is converted
  1708. to gas.
  1709.  
  1710. Although the boiling temperature of water appears to be fixed, it is not.  It
  1711. varies with air pressure.  Water boils at 100 degrees C at a sea-level pressure
  1712. of 101 kilopascals.  However, water's boiling temperature drops as air pressure
  1713. drops, and air pressure drops with elevation above sea level. (Because of
  1714. depressed boiling temperatures at higher elevations, many commercial cake mixes
  1715. come with instructions for increasing baking times if the cake is going to be
  1716. baked in a mountain home.)
  1717.  
  1718. At very low atmospheric pressures, such as those encountered at elevations
  1719. higher than 18 km above sea level, water boils spontaneously even at room
  1720. temperature.  This creates a problem for pilots of high-altitude research
  1721. planes and astronauts in space.  The human body is approximately 60% water.  At
  1722. very low atmospheric pressures, body water contained within the skin would
  1723. begin to boil, and the skin would start inflating.  Needless to say, this is a
  1724. very unpleasant experience and one that can be fatal if it persists for too
  1725. many seconds.  High-altitude pilots and astronauts on extravehicular activity
  1726. require pressure-suit protection for survival.
  1727.  
  1728. This demonstration shows the effect of lowered pressure on the boiling point of
  1729. water.  When the water has stopped boiling and the flask is sealed, it is
  1730. thrust into chilled water.  The temperature of the hot, moist air above the
  1731. water in the flask is quickly lowered and it contracts, thereby lowering the
  1732. pressure inside the flask.  With the lowered pressure, the water, even though
  1733. its temperature has actually lowered, begins boiling again.  Boiling will stop
  1734. shortly as the pressure in the flask increases due to newly released gas.
  1735.  
  1736. Note: The rubber stopper may be difficult to remove from the flask once the
  1737. water inside the flask has cooled.  Simply reapply heat to the flask and remove
  1738. the stopper as air pressure inside increases.  Be sure to wear eye protection
  1739. while doing this.
  1740.  
  1741.  
  1742. Additional Demonstrations on Vacuums
  1743.  
  1744. Additional demonstrations on the properties of the vacuum found in space can be
  1745. done with a vacuum pump, vacuum plate, and bell jar.  This apparatus is
  1746. available through science supply catalogs, and many schools have them in their
  1747. equipment inventories.  If your school does not have this equipment, it may be
  1748. possible to borrow it from another school.
  1749.  
  1750. * Set the alarm on a windup alarm clock to ring in a few minutes.  Place the
  1751. clock on the vacuum plate, cover with the bell jar, and evacuate the air.  When
  1752. the alarm goes off, it will be possible to see but not hear the clock ring.
  1753. There is no air inside the chamber to conduct the sound waves from the ringing
  1754. of the bell.  Some sound may conduct through the vacuum plate, however, through
  1755. its contact with the clock feet.  This demonstration illustrates why radios are
  1756. built into spacesuits.  Contrast this demonstration with science fiction movies
  1757. in which sounds from explosions are heard through space.
  1758.  
  1759. * Obtain a clear balloon or a clear plastic freezer bag.  Put water in the
  1760. balloon or bag and seal.  Place the balloon or bag on the vacuum plate, cover
  1761. with the bell jar, and evacuate the chamber.  Observe the boiling that takes
  1762. place in the water and how the balloon or bag begins to inflate.  The inflation
  1763. provides an analogy to the way exposed skin will inflate in a vacuum because of
  1764. the gas bubbles that form in the liquid contained in cells.
  1765.  
  1766.  
  1767.  
  1768.  
  1769.  
  1770. STUDENT PROJECT 1: Earth Is a Spaceship
  1771.  
  1772. TOPIC: Earth as a life-support system for travel through space
  1773.  
  1774. BACKGROUND INFORMATION: Every 365 days, 5 hours, and 46 minutes, Earth
  1775. completes an orbit around the Sun. To do so, it travels at a speed of 109,500
  1776. km per hour.  At the same time this is happening, our Sun and all its planets
  1777. are traveling in the direction of the star Vega at a speed of 20 km per second.
  1778. As a part of the Milky Way galaxy, we are also orbiting the galactic center at
  1779. a speed of about 250 km per second.  Finally, the Milky Way is on its own
  1780. voyage through the universe at a speed of 600 km per second.  Combining all
  1781. these motions together, we discover that Earth is actually a spaceship,
  1782. hurtling us through space at the incredible speed of approximately 900 km per
  1783. second, or nearly 30 billion km per year!
  1784.  
  1785. Writing Assignment: Like astronauts traveling on rockets or moving about
  1786. through outer space in their spacesuits, earthling astronauts need protection
  1787. from the hazards of space. * Write an essay about spaceship Earth. What
  1788. "services" does Earth provide for human life-support?  How do the ways Earth
  1789. provides these services compare with the way the life-support system of a
  1790. spacesuit functions?  Why is it important to protect our life-support systems?
  1791. * Write a short story on what might happen to our spaceship if we do not take
  1792. care of it.
  1793.  
  1794. Art Project: Create a mural, collage, or mobile that illustrates the spaceship
  1795. Earth concept.
  1796.  
  1797. Mathematics Assignment: Compare the travel of spaceship Earth with terrestrial
  1798. locomotion-such as walking, running, automobiles, trains, airplanes-and with
  1799. the Space Shuttle. How long would it take a person in an automobile (train,
  1800. plane, etc.) to travel the distance Earth travels through space in just one
  1801. hour?
  1802.  
  1803. Historical Research: Try to learn who first proposed the concept of Earth as a
  1804. spaceship and the event that led to the development of this environmental
  1805. concept.
  1806.  
  1807.  
  1808.  
  1809.  
  1810. Unit 2: Dressing for Spacewalking
  1811.  
  1812. ACTIVITY 1: Choosing the Right Color
  1813.  
  1814. TOPIC: Spacesuit design
  1815.  
  1816. DESCRIPTION: The relative effects of light versus dark surfaces on heat
  1817. absorption and radiation are investigated.
  1818.  
  1819. MATERIALS NEEDED: 
  1820. 2 coffee cans with plastic snap lids 
  1821. 2 thermometers (dial or glass) 
  1822. Spray paint (white and black) 
  1823. Flood lamp and light fixture 
  1824. Stopwatch or watch with a second hand 
  1825. Graph paper
  1826.  
  1827. PROCEDURE:
  1828.  
  1829. STEP 1.  Spray-paint the outside of one coffee can black and spray the other
  1830. white.
  1831.  
  1832. STEP 2.  Snap on the plastic lids and punch a hole in the center of each lid.
  1833. Insert one thermometer into each lid.
  1834.  
  1835. STEP 3.  Direct the light from a flood lamp at the sides of the two cans.  Make
  1836. sure it is equidistant from both cans.
  1837.  
  1838. STEP 4.  Begin recording temperatures starting with an initial reading of each
  1839. thermometer, and take readings thereafter every 30 seconds for the next 10
  1840. minutes.  Extend the time beyond 10 minutes if you wish.
  1841.  
  1842. STEP 5.  Plot the temperature data on graph paper, using a solid line for the
  1843. black can and a dashed line for the white can.  Construct the graph so that the
  1844. data for temperature are along the Y (vertical) axis and for time along the X
  1845. (horizontal) axis.
  1846.  
  1847. STEP 6.  Compare the slope of the temperature plots for the white and black
  1848. cans.
  1849.  
  1850. DISCUSSION:
  1851.  
  1852. It is not by chance or for aesthetics that the outer layer of a spacesuit is
  1853. constructed of a durable white fabric.  Environments in outer space fluctuate
  1854. from shade to full sunlight.  In full Sun, the temperature will rise to 120
  1855. degrees C and in shade drop to minus 100 degrees C. Such extremes are
  1856. constantly being encountered by astronauts out on extravehicular activities.
  1857. The side of the astronaut facing the Sun cooks while the side in shade freezes.
  1858.  
  1859. One of the challenges in spacesuit design is to maintain a comfortable working
  1860. temperature inside.  A liquid cooling-unit inside the suit helps moderate body
  1861. heat caused by the astronaut's physical exertion, but the heat coming into the
  1862. suit from the outside and the heat escaping from the suit to the outside must
  1863. be moderated as well.  Several inside layers provide insulation, but that is
  1864. not enough to protect the crew member.  White fabric on the outside of the suit
  1865. is used because it absorbs less heat than does dark fabric.
  1866.  
  1867.  
  1868. ACTIVITY 2: Keeping Cool
  1869.  
  1870. TOPIC: Spacesuit design
  1871.  
  1872. DESCRIPTION: The functioning of the liquid cooling-garment of spacesuits is
  1873. demonstrated.
  1874.  
  1875. MATERIALS NEEDED:
  1876. 2 coffee cans with plastic snap-on lids
  1877. 2 thermometers (dial or glass.  Must be able to read a full range of
  1878.  temperatures from freezing to boiling.)
  1879. Spray paint (black)
  1880. Floodlight and light fixture
  1881. 6 meters of plastic aquarium tubing
  1882. Masking tape
  1883. 2 buckets
  1884. Ice
  1885. Water
  1886. Stopwatch or watch with a second hand
  1887. Graph paper
  1888. Metal punch or drill
  1889.  
  1890.  
  1891.  
  1892. PROCEDURE:
  1893.  
  1894. STEP 1.  Spray-paint the outside of both cans black and permit them to dry.
  1895.  
  1896. STEP 2.  Punch a hole in the center of each lid and insert a thermometer.
  1897. Punch a second hole in one of the lids large enough to admit the aquarium
  1898. tubing.  Also punch a hole in the side of one of the two cans near its base.
  1899.  
  1900. STEP 3.  Form a spiral coil with the plastic tubing along the inside wall of
  1901. the can with the hole punched in its side.  Do not pinch the tube.  Extend the
  1902. tube's ends out of the can, one through the hole in the can and the other
  1903. through the hole in the lid.  The upper end of the tube should reach into the
  1904. elevated water bucket and the other should hang down from the side of the can
  1905. toward the lower bucket.
  1906.  
  1907. STEP 4.  Set up the floodlight so that it shines on the sides of the two cans.
  1908. Make sure the light is equidistant from the two cans.
  1909.  
  1910. STEP 5.  Fill one bucket with ice and water.  Make sure there is enough ice to
  1911. chill the water thoroughly.
  1912.  
  1913. STEP 6.  Elevate the ice water bucket on a box or some books next to the can
  1914. with the tubing.
  1915.  
  1916. STEP 7.  Insert the long end of the aquarium tubing into the ice water bucket
  1917. to the bottom.  Using your mouth, suck air from the other end of the tube to
  1918. start a siphoning action.  Permit the water to drain into a second bucket on
  1919. the floor.
  1920.  
  1921. STEP 8.  Immediately turn on the floodlight so that both cans are equally
  1922. heated.
  1923.  
  1924. STEP 9.  Begin recording temperatures, starting with an initial reading of each
  1925. thermometer just before the light is turned on and every 30 seconds thereafter
  1926. until the water runs out.
  1927.  
  1928. STEP 10.  Plot the temperature data on graph paper, using a solid line for the
  1929. can that held the ice water and a dashed line for the other can.  Construct the
  1930. graph so that the temperature data are along the Y (vertical) axis and those
  1931. for time along the X (horizontal) axis.
  1932.  
  1933. STEP 11.  Compare the slope of the plots for the two cans.
  1934.  
  1935. DISCUSSION:
  1936.  
  1937. Astronauts out on extravehicular activity are in a constant state of exertion.
  1938. Body heat released from this exertion can quickly build up inside a spacesuit,
  1939. leading to heat exhaustion.  Body heat is controlled by a liquid
  1940. cooling-garment made from stretchable spandex fabric and laced with
  1941. small-diameter plastic tubes that carry chilled water.  The water is circulated
  1942. around the body.  Excess body heat is absorbed into the water and carried away
  1943. to the suit's backpack, where it runs along a porous metal plate that permits
  1944. some of it to escape into outer space.  The water instantly freezes on the
  1945. outside of the plate and seals the pores.  More water circulates along the back
  1946. of the plate.  Heat in the water is conducted through the metal to melt the ice
  1947. directly into water vapor.  In the process, the circulating water is chilled.
  1948. The process of freezing and thawing continues constantly at a rate determined
  1949. by the heat output of the astronaut.
  1950.  
  1951. This activity demonstrates how chilled water can keep a metal can from heating
  1952. up even when exposed to the strong light of a floodlight.
  1953.  
  1954. ADDITIONAL DEMONSTRATIONS ON COOLING:
  1955.  
  1956. * Make a sleeve of spandex (stretchable) fabric.  Lace the sleeve with plastic
  1957. aquarium tubing as shown.  Circulate cold water through the sleeve with a
  1958. siphoning action to demonstrate the cooling effects of the Shuttle EMU's liquid
  1959. cooling-and-vent- garment.  Discuss how the water is recycled and rechilled.
  1960. (Note: To assist in placing the sleeve on different people, slit the side of
  1961. the sleeve from one end to the other and attach Velcro strips.)
  1962.  
  1963. * Make small bags of various materials to test their insulating properties.
  1964. Slip a thermometer into each bag and measure the bags' temperature rise when
  1965. exposed to a heat source such as a floodlight or sunlight.  Try using fabrics,
  1966. paper, aluminum foil, and plastics as well as commercial insulating materials
  1967. such as rock wool and cellulose.  Also experiment with multilayered materials.
  1968. Compare the bulk and weight of different insulators with their effectiveness.
  1969. What criteria must spacesuit designers use in evaluating spacesuit insulation?
  1970. (Weight, bulk, durability, flexibility, flammability.)
  1971.  
  1972.  
  1973. ACTIVITY 3: Oxygen for Breathing
  1974.  
  1975. TOPIC: Spacesuit life-support
  1976.  
  1977. DESCRIPTION: The lung capacity of an average student is determined and related
  1978. to the oxygen supply carried in the portable life-support system of a
  1979. spacesuit.
  1980.  
  1981. MATERIALS:
  1982. Large glass cider jug
  1983. Rubber or plastic hose
  1984. Basin
  1985. Measuring cup 
  1986. Permanent marking pen
  1987. Water
  1988. Hydrogen peroxide or other nontoxic
  1989.    disinfectant
  1990. Exercise device such as a stationary bike (optional)
  1991. Stop watch or clock with a second hand
  1992.  
  1993. PROCEDURE:
  1994.  
  1995. Step 1.  Calibrate the glass jug in units of liters.  Pour 1 liter of water
  1996. into the jug and mark the water level on the side of the jug.  Add a second
  1997. liter and again mark the level.  Repeat twice more.
  1998.  
  1999. Step 2.  Completely fill the jug with water and invert it into a basin of water
  2000. so that air pressure causes the water to remain in the jug.  Insert one end of
  2001. the tube into the jug.
  2002.  
  2003. Step 3.  Invite several student volunteers, one at a time, to exhale through
  2004. the tube into the jug.  Water will be expelled from the jug.  Students should
  2005. breathe normally when doing this.  Count how many breaths it takes to empty the
  2006. water from the bottle.  Also, determine the number of breaths each student
  2007. takes during one minute.  Record the two measurements on a chart under the
  2008. headings "Breathing Volume" and "Breaths per Minute." Caution: Be sure to
  2009. disinfect the end of the tube between student participations.
  2010.  
  2011. Step 4.  After all volunteers have participated in the first measurements, run
  2012. the experiment again, but this time have each student engage in vigorous
  2013. exercise for 1 minute before breathing into the tube.  Using an exercise bike
  2014. or running in place should be sufficient to promote heavy breathing.  Again
  2015. measure how many breaths are required to empty the jug.  Also measure the
  2016. number of breaths each student takes during a period of one minute.  Keep a
  2017. record of these numbers under the headings of "Breathing Volume II" and
  2018. "Breaths per Minute II."
  2019.  
  2020. Step 5.  Calculate averages for each of the four columns on the data chart.
  2021. Use the first set of measurements to determine what volume of air an average
  2022. student will consume per minute during normal activity.  Next, calculate how
  2023. much air is needed for one hour by that average student under normal activity
  2024. and under heavy work.
  2025.  
  2026. Step 6.  Ask the students to calculate how much air would be needed by an
  2027. average student-astronaut on a six-hour spacewalk.  Typically, space-walks
  2028. involve both light and heavy exertion.
  2029.  
  2030. Discussion:
  2031.  
  2032. It is of obvious concern to spacewalking astronauts to have enough oxygen to
  2033. breathe while they are conducting a mission.  They need enough oxygen to
  2034. complete their assigned tasks and additional oxygen in case of unforeseen
  2035. problems and emergencies.  How much oxygen they carry with them is determined
  2036. by their oxygen use rate and the time length of their mission.  Physically
  2037. difficult tasks cause astronauts to use oxygen more rapidly than do physically
  2038. simple tasks.
  2039.  
  2040. To provide enough oxygen for spacewalk missions, NASA has had to determine
  2041. oxygen use rates for different levels of physical activity.  Oxygen use is
  2042. measured rather than air use because it was determined early in the space
  2043. program that using air for spacewalks would be inefficient because air would
  2044. require very large holding tanks.  Air is approximately 80 percent nitrogen and
  2045. 20 percent oxygen.  By eliminating the nitrogen and providing pure oxygen, much
  2046. smaller tanks can be used.
  2047.  
  2048. In this activity, students have determined the amount of air an average student
  2049. breathes during rest and during heavy physical activity.  They have calculated
  2050. how much air would be needed for a six-hour spacewalk.  If no one thinks of it,
  2051. suggest they consider using pure oxygen instead of air.  Have your students
  2052. calculate the volume of pure oxygen that would satisfy the needs of the average
  2053. student for the six-hour mission and compare this to the quantity of air that
  2054. would be required for the same mission.
  2055.  
  2056.  
  2057. ACTIVITY 4: Keeping the Pressure Up
  2058.  
  2059. TOPIC: Spacesuit life-support
  2060.  
  2061. DESCRIPTION: How spacesuits maintain a safe pressure environment is
  2062. demonstrated.
  2063.  
  2064.  
  2065. MATERIALS NEEDED: 
  2066. Bicycle or automobile foot pump (with pressure gauge)
  2067. Gear type of hose clamp (small  size--available from hardware store)
  2068. Helium quality balloon--30 to 40 cm diameter (several)
  2069. Ripstop nylon (about 45 cm from fabric-store bolt)
  2070. Thread
  2071. Sewing machine
  2072. Scissors
  2073. Screw driver
  2074.  
  2075. PROCEDURE:
  2076.  
  2077. Step 1.  Use the pattern on the next page to make the nylon restraint layer
  2078. bag.
  2079.  
  2080. Step 2.  Slide the pump nozzle entirely into a balloon.  The valve should
  2081. almost touch the other side of the balloon.
  2082.  
  2083. Step 3.  Slip the hose clamp over the balloon nozzle and tighten it over the
  2084. air hose.
  2085.  
  2086. Step 4.  While watching the pressure gauge, pump up the balloon until it
  2087. breaks.  Make a note of the maximum pressure attained.
  2088.  
  2089. Step 5.  Slip a second balloon over the nozzle as before.
  2090.  
  2091. Step 6.  Insert the balloon and nozzle into the nylon bag.  The nozzle of the
  2092. balloon should lie just under the nozzle of the bag.
  2093.  
  2094. Step 7.  Use the hose clamp to seal both the balloon and the bag around the air
  2095. hose.
  2096.  
  2097. Step 8.  While watching the pressure gauge, pump up the balloon.  Stop pumping
  2098. when the gauge reaches 35 to 70 kilopascals (5 to 10 lbs per square inch if
  2099. pump gauge is in English units).  Feel the bag.
  2100.  
  2101. Note: The balloon can be deflated by loosening the hose clamp.
  2102.  
  2103. DISCUSSION:
  2104.  
  2105. Pressure is essential to human survival in space.  Spacesuits provide pressure
  2106. by enclosing an astronaut inside an airtight bag.  A spacesuit is made up of
  2107. many layers.  The pressure-containing portion of the suit is a nylon layer
  2108. coated on the inside with rubber.  The rubber, by itself, acts like a balloon
  2109. to contain oxygen.  This would be fine except that balloons expand when they
  2110. are pressurized.  A spacesuit with just a rubber layer would grow bigger and
  2111. bigger until it popped.  However, the nylon or restraint layer prevents this
  2112. from happening by permitting expansion to go only so far.  Any additional
  2113. oxygen added to the inside increases the pressure that is exerted on the
  2114. astronaut wearing the suit.
  2115.  
  2116. In this activity, the balloon simulated the rubber layer of a spacesuit, and
  2117. the nylon bag simulated the restraint layer.  When an unrestrained balloon was
  2118. pumped up, it just increased in size until it popped.  Even at the moment of
  2119. popping, the pressure gauge barely moved.  With the restraint layer over the
  2120. balloon, the balloon could expand only so much, and then additional air pumped
  2121. inside increased the internal pressure.  Thereupon, the bag became very hard
  2122. and stiff.
  2123.  
  2124. The safe operating pressure inside a Shuttle spacesuit is about 29.65
  2125. kilopascals.  Although this pressure is about one-third that at sea level on
  2126. Earth, the astronaut wearing the suit experiences no difficulty in breathing,
  2127. for the gas inside is pure oxygen rather than the approximately 20 percent
  2128. concentration of oxygen in normal air.  Even at the lower pressure, the
  2129. astronaut takes in more oxygen with each breath inside a spacesuit than on
  2130. Earth while breathing a normal air mixture.
  2131.  
  2132.  
  2133. SEWING INSTRUCTIONS:
  2134.  
  2135. Cut out two layers of ripstop nylon according to the pattern and stitch up
  2136. along the sides indicated.  Provide a 1-cm seam allowance.  Restitch the seam
  2137. with a zigzag stitch for reinforcement.  Turn the bag inside out.  You may wish
  2138. to hem the open end of the bag to prevent fraying.
  2139.  
  2140. ACTIVITY 5: Bending Under Pressure
  2141.  
  2142. TOPIC: Spacesuit mobility
  2143.  
  2144. DESCRIPTION: Students compare the ability of inflated balloons to bend in an
  2145. analogy to the arm of a spacesuit.
  2146.  
  2147. MATERIALS NEEDED:
  2148. 2 long balloons
  2149. 3 plastic bracelets, metal craft rings, or thick rubber bands
  2150.  
  2151. PROCEDURE:
  2152.  
  2153. Step 1.  Inflate one balloon fully and tie it.
  2154.  
  2155. Step 2.  Inflate the second balloon, but while it is inflating, slide the
  2156. bracelets, craft rings, or rubber bands over the balloon so that the balloon
  2157. looks like sausage links.
  2158.  
  2159. Step 3.  Ask the students to compare the "bendability" of the two balloons.
  2160.  
  2161. DISCUSSION:
  2162.  
  2163. Maintaining proper pressure inside a spacesuit is essential to astronaut
  2164. survival.  A lack of pressure is fatal.  Pressure, however, produces its own
  2165. problems.  An inflated spacesuit can be very difficult to bend.  In essence, a
  2166. spacesuit is a balloon with the astronaut inside.  The rubber of a balloon
  2167. keeps in air.  But, as pressure inside the balloon builds up, the balloon's
  2168. walls become stiff and hard to bend.  It would be impossible for an astronaut
  2169. to function effectively in a stiff suit.
  2170.  
  2171.  
  2172. Spacesuit designers have learned that strategically placed breaking points (the
  2173. rings in this demonstration) at appropriate points outside the pressure bladder
  2174. (the balloon-like layer inside a spacesuit) makes the suit become more
  2175. bendable.  The breaking points help form joints that bend more easily than
  2176. unjointed materials.  The same thing happens with the balloon and rings.
  2177. Further spacesuit research has determined that there are other techniques for
  2178. promoting bending.  Built-in joints, like ribs on vacuum cleaner hoses, also
  2179. promote easier bending than does unjointed material.
  2180.  
  2181.  
  2182. ACTIVITY 6: Getting The Right Fit
  2183.  
  2184.  
  2185. TOPIC: Spacesuit design
  2186.  
  2187. DESCRIPTION: Students design and build space helmets that can be used by anyone
  2188. in class.
  2189.  
  2190. MATERIALS NEEDED:
  2191.  
  2192. Several cloth tape measures (metric)
  2193. Metric rulers
  2194. Cardboard calipers (see diagram)
  2195. Brass paper fasteners
  2196. Pencil and paper
  2197. Calculator (optional)
  2198. Large, round balloons
  2199. Papier mache: paste and newspaper
  2200. String
  2201. Graph paper
  2202. Field-of-view measurement device 
  2203.         Plywood board 60x30 cm
  2204.         White poster board
  2205.         Thumbtacks
  2206.         Marking pen
  2207.         Protractor
  2208.  
  2209. PROCEDURE: Head Measurements
  2210.  
  2211. 1.  Divide the students into groups of three to five.
  2212.  
  2213. 2.  Working as teams, the students should take four separate measurements of
  2214. each member's head in centimeters, and tally the data.  The measurements will
  2215. be: (1) Head Circumference, (2) Head Breadth, (3) Head Depth, (4) Chin to Top
  2216. of Head. Refer to the diagram in the next column.  Use calipers and cloth tape
  2217. measures for the actual measuring.  Be sure the students check each other's
  2218. work.
  2219.  
  2220. 3.  After the measurements are taken, the teams should practice calculating
  2221. averages by averaging the measurements for all members of the team.
  2222.  
  2223. 4.  Tally the results for all the groups in the class and calculate averages
  2224. for each measure.
  2225.  
  2226. PROCEDURE: Field of View
  2227.  
  2228. 1.  Construct a field-of-view measurement device out of wood and poster board.
  2229. Cut a partial circle (220 degrees) with a radius of at least 30 cm out of
  2230. plywood.  Refer to the pattern on the next page for details.  Tack or glue a
  2231. strip of white poster board to the arc.  Using a protractor and a marking pen,
  2232. measure and mark the degrees around the arc as shown in the illustration.
  2233.  
  2234. 2.  Place the device on the edge of a table so that it extends over the edge
  2235. slightly.  Begin measuring the field of view by having a student touch his or
  2236. her nose to the center of the arc and look straight ahead.  Have a second
  2237. student slide a marker, such as a small strip of folded paper, around the arc.
  2238. Begin on the right side at the 110-degree mark.  The student being tested
  2239. should say, "Now," when he or she sees the marker out of the corner of the eye.
  2240. Record the angle of the marker on a data table for the right eye.  Repeat for
  2241. the left eye.
  2242.  
  2243. 3.  Take the same measurements for the other students.  When all the data have
  2244. been collected, calculate the average field of view for all the students.
  2245.  
  2246. PROCEDURE: Designing a Space Helmet
  2247.  
  2248. 1.  Working in the same teams as before, have the students draw sketches on
  2249. graph paper of their ideas for a space helmet that could be worn by anyone in
  2250. class.  The students should determine a scale on the graph paper that will
  2251. translate into a full-size helmet.  In designing the helmet, three
  2252. considerations must be met.  First, it must fit anyone in the class.  Second,
  2253. it must provide adequate visibility.  Finally, it must be made as small as
  2254. possible to reduce its launch weight and make it as comfortable to wear as
  2255. possible.
  2256.  
  2257. 2.  Students may wish to add special features to their helmet designs such as
  2258. mounting points for helmet lights and radios.
  2259.  
  2260. PROCEDURE: Building a Space Helmet
  2261.  
  2262. 1.  Have each team inflate a large round balloon to serve as a form for making
  2263. a space helmet.  Tie the balloon with a string.
  2264.  
  2265. 2.  Using strips of newspaper and papier mache paste, cover the balloon except
  2266. for the nozzle.  Put on a thin layer of newspaper and hang the balloon by the
  2267. string to dry.
  2268.  
  2269. 3.  After the first layer of papier mache is dry, add more layers until a rigid
  2270. shell is formed around the balloon.  Lights, antennas, and other appendages can
  2271. be attached to the helmet as the layers are built up.
  2272.  
  2273. 4.  Using a pin, pop the balloon inside the paper mache shell.  According to
  2274. the design prepared in the earlier activity, cut out a hole for slipping the
  2275. helmet over the head and a second hole for the eyes.
  2276.  
  2277. 5.  Paint the helmet and add any designs desired.
  2278.  
  2279. 6.  When all helmets are completed, evaluate each one for comfort and utility.
  2280. Have students try on the helmets and rate them on a scale that the students
  2281. design. (For example: on a scale of 1 to 5, with 1 the best, how easy is it to
  2282. put the helmet on?)
  2283.  
  2284. DISCUSSION:
  2285.  
  2286. Spacesuit designers have expended great energy to make sure spacesuits fit
  2287. their wearers properly.  It is essential that suit joints line up with the
  2288. wearer's joints.  A mismatched elbow can make it very difficult for the wearer
  2289. to bend an arm.
  2290.  
  2291. To save on spacesuit construction costs, designers have sought to develop
  2292. common parts that can be worn by the greatest number of people.  To do so has
  2293. required careful evaluation of the human form.  Many different people have been
  2294. measured to determine the ranges of sizes that a spacesuit must fit
  2295. comfortably.  In the present activity only a few head measurements were taken,
  2296. but in designing complete spacesuits many different measurements are necessary.
  2297. The dimensions below are based on a spacesuit designed to fit astronauts having
  2298. this range of measurements. * Stature increases approximately 3 percent over
  2299. the first three to four days in weightlessness.  Because almost all the change
  2300. appears in the spinal column, other dimensions, such as vertical trunk
  2301. dimension, increase selectively.
  2302.  
  2303. Thigh circumference will significantly decrease during the first day in orbit
  2304. due to the shift of fluid to the upper torso.
  2305.  
  2306. Category                                Minimum (cm) Maximum (cm)
  2307.  
  2308. A.      Stature*                              162.1   187.7
  2309. B.      Vertical trunk dimension               64.3    74.4    
  2310. C.      Crotch height                          32.3    38.9
  2311. D.      Knee height                            74.4    91.9
  2312. E.      Wrist to wrist distance               131.6   167.1
  2313. F.      Elbow to elbow distance                85.9   106.2
  2314. G.      Chest breadth                          27.9    36.6
  2315. H.      Head breadth                           12.7    16.5
  2316. I.      Hip breadth                            32.3    38.9
  2317. J.      Arm reach                              80.5    94.2
  2318. K.      Shoulder to wrist reach                62.2    73.7
  2319. L.      Chest depth                            21.3    27.7
  2320. M.      Head depth                             18.3    21.6    
  2321. N.      Chin to top of head                    21.8    24.4
  2322. O.      Hip depth                              21.1    27.4
  2323. P.      Foot length                            24.1    29.2
  2324. Q.      Foot width                              8.9    10.7
  2325. R.      Thigh circumference                    52.1    67.1    
  2326. S.      Biceps circumference (flexed)          27.4    36.8
  2327. T.      Chest circumference                    89.2   109.7
  2328. U.      Instep                                   NA     8.3
  2329. V. Head circumference                          55.5    60.2
  2330.  
  2331.  
  2332.  
  2333.  
  2334.  
  2335. STUDENT PROJECT 2: Spacesuit History
  2336.  
  2337. TOPIC: How spacesuits evolved into their present design
  2338.  
  2339. BACKGROUND INFORMATION: The Extravehicular Mobility Unit worn by Space Shuttle
  2340. astronauts is the result of decades of research and testing.  The introductory
  2341. material in this activity guide provides a brief history of its development.
  2342.  
  2343. Research and Writing Assignment: Ask students to research spacesuit history and
  2344. write reports on specific topics.  Students might choose from the following
  2345. topics:
  2346.  
  2347.   Project Mercury Spacesuits
  2348.   Project Gemini Spacesuits
  2349.   Project Apollo Spacesuits
  2350.   Skylab Spacesuits
  2351.   Soviet Cosmonauts' Spacesuits
  2352.   High-Altitude Aircraft Pressure Suits
  2353.   Comparison of Spacesuits with Deep Sea  Divers' Suits
  2354.   Spacesuits in Science Fiction Stories and Film
  2355.  
  2356. Art Project: Create a mural of the evolution of spacesuit design.
  2357.  
  2358.  
  2359. UNIT 3: MOVING AND WORKING IN SPACE
  2360.  
  2361. ACTIVITY 1: Spinning Chair
  2362.  
  2363. TOPIC: Moving in space
  2364.  
  2365. DESCRIPTION: Students sit, one at a time, on a swivel chair and try to make the
  2366. chair turn without touching the floor or other furniture with their hands or
  2367. feet.
  2368.  
  2369. MATERIALS NEEDED:
  2370. Swivel stool or desk chair with a good bearing mechanism that permits smooth
  2371. motion
  2372. 2 sandbags made from canvas sacks (about 2 kg each)
  2373.  
  2374. PROCEDURE:
  2375.  
  2376. STEP 1.  Ask for a volunteer student to sit on the chair or stool.
  2377.  
  2378. STEP 2.  Instruct the student to make the chair or stool turn in a circle.  The
  2379. student must not touch the floor or anything else except the chair's seat.
  2380. Stand back and watch.
  2381.  
  2382. STEP 3.  Permit other students to try.
  2383.  
  2384. STEP 4.  Help students out by giving them sandbags to hold in their hands.  If
  2385. no student thinks to toss the bags, suggest that he or she do so at an angle
  2386. perpendicular to their extended arms (tangential direction).
  2387.  
  2388. Caution: Do not use a stool or chair that tips easily.  Stand nearby to keep
  2389. the student from falling.  The student should toss the bags gently at first.
  2390.  
  2391. DISCUSSION:
  2392.  
  2393. Although very difficult, some circular motion may be possible with the chair.
  2394. Astronauts away from the inside walls of the Space Shuttle orbiter quickly
  2395. learn that through awkward twisting, it is possible to change their direction.
  2396. However, the moment they stop the twisting, the movement they had achieved
  2397. stops as well.  In spite of the movement, center of mass is exactly in the same
  2398. place as it was before.  They learn that to achieve movement from place to
  2399. place it is necessary to have something to push against to start and something
  2400. else at the other end to push against to stop.
  2401.  
  2402. Outside the orbiter, the problem of movement becomes even more difficult.  If
  2403. an astronaut bumps something and is not attached to the orbiter by a tether,
  2404. the astronaut will simply drift away in the opposite direction, and no amount
  2405. of twisting and turning will reverse or stop the drift.
  2406.  
  2407. In the demonstration, the swivel chair illustrates the manner in which
  2408. astronauts can change the direction they face but cannot move away without
  2409. having something to push against.  The sandbags, however, do permit real
  2410. movement through the action-reaction principle stated by English scientist Sir
  2411. Isaac Newton. The chair continues to spin for a time after the movement stops.
  2412. Astronauts take advantage of this principle when they wearthe Manned
  2413. Maneuvering Unit while on extravehicular activity.  The unit releases
  2414. compressed nitrogen gas to propel the astronaut along, just as air escaping
  2415. from a balloon propels it along.
  2416.  
  2417. ACTIVITY 2: Fizz, Pop!
  2418.  
  2419.  
  2420. TOPIC: Moving in space
  2421.  
  2422. DESCRIPTION: Action-reaction demonstration using "antacid power."
  2423.  
  2424. MATERIALS NEEDED:
  2425. Plastic 35-mm film canister
  2426. Masking tape
  2427. String
  2428. Water
  2429. Effervescent antacid tablet
  2430. Eye protection for demonstrator
  2431. Towel for mop up
  2432.  
  2433. PROCEDURE:
  2434.  
  2435. STEP 1.  Attach a string to the side of a plastic film canister with tape as
  2436. shown in the illustration.  Suspend the canister from the ceiling, waist-high
  2437. above the floor.
  2438.  
  2439. STEP 2.  Make a small tape loop and press it to the inside of the film canister
  2440. cap.  Press an effervescent antacid tablet to the tape.
  2441.  
  2442. STEP 3.  Hold the canister upright and fill it halfway with water.  Snap the
  2443. cap, with the tablet, onto the canister snugly.
  2444.  
  2445. STEP 4.  Tip the canister to its side and suspend it from the string.  Prevent
  2446. it from swinging.  Stand back and watch. (Note: Some film canisters don't work
  2447. as well as others.  It is advisable to have a backup in case the first one
  2448. fizzles.)
  2449.  
  2450. Caution: Although this activity does not present a significant eye hazard, eye
  2451. protection is recommended for the demonstrator.
  2452.  
  2453. DISCUSSION:
  2454.  
  2455. Immediately upon contact with water, the tablet begins effervescing.  Because
  2456. the cap is snapped onto the film canister, gas pressure builds up.  Eventually,
  2457. the cap pops off the end of the canister, releasing the water and gas inside.
  2458.  
  2459. The explosive separation of the lid from the canister provides an action force
  2460. that is balanced with a reaction force that causes the canister to swing the
  2461. other way.  This is a simple demonstration of the action-reaction principle
  2462. described in Newton's Third Law of Motion.
  2463.  
  2464. In space, any deviation of a spacecraft's motion from its orbit requires an
  2465. action- reaction force to be expended.  An astronaut on a spacewalk can
  2466. accomplish the same end by pushing against the spacecraft.  The action-reaction
  2467. force will propel the astronaut in the opposite direction.
  2468.  
  2469. Precise movements in space by space-walkers can be achieved with the Manned
  2470. Maneuvering Unit. Although it operates by the same principle as does the
  2471. popping film canister, the MMU is propelled by compressed nitrogen gas.  The
  2472. MMU is far more controllable than the canister because it has 24 nozzles
  2473. instead of just the one opening.  Shaped like a box with arms, the MMU has
  2474. nozzles arranged in clusters of three at each corner.  Controls on each arm
  2475. permit sequential firing of pairs of nozzles for precise movements.
  2476.  
  2477.  
  2478. ADDITIONAL DEMONSTRATIONS ON THE ACTION-REACTION PRINCIPLE:
  2479.  
  2480. * Tape a round balloon to the end of a flexible soda straw.  Push a pin through
  2481. the straw into a pencil eraser.  Inflate the balloon through the straw and let
  2482. the air escape.
  2483.  
  2484. * Make a Hero engine from an aluminum beverage can.  Punch angled holes around
  2485. the base of the can and suspend the can with a piece of string.  Fill the can
  2486. with water by immersing it in a bucket of water.  Raise the can out of the
  2487. water by lifting it with the string.  Observe what happens.
  2488.  
  2489. The Hero engine was invented by Hero (also called Heron) of Alexandria sometime
  2490. around the first century B.C. His engine was a sphere connected to a
  2491. water-filled kettle heated from below.  Steam produced by boiling water escaped
  2492. through two L-shaped tubes and caused the sphere to spin.  Remarkably, the Hero
  2493. engine was considered a novelty and, reportedly, no attempt to harness its
  2494. power was made at that time.
  2495.  
  2496. The principle behind the engine is simple.  Steam from the boiling water inside
  2497. the kettle pressurizes the sphere.  The steam rapidly escapes through the
  2498. tubes, producing an action-reaction force that causes the sphere to spin.  The
  2499. action- reaction principle of the Hero engine is the same that is used to
  2500. propel airplanes and rockets.
  2501.  
  2502.  
  2503. ACTIVITY 3: Space Tools
  2504.  
  2505. TOPIC: Space tools
  2506.  
  2507. DESCRIPTION: Students practice using tools while wearing heavy gloves that
  2508. represent the gloves worn by astronauts on spacewalks.
  2509.  
  2510. MATERIALS NEEDED:
  2511. Several sets of thick insulated ski gloves or heavy rubber work gloves
  2512. Miscellaneous tools and items such as
  2513.         Needle-nose pliers
  2514.         Socket wrenches
  2515.         Small machine screws and nuts
  2516.         Lamp cord and plug
  2517.         Tinker Toys (tm) or Legos (tm)
  2518.         Perfection (tm) game
  2519. Paper and pencil
  2520.  
  2521. PROCEDURE:
  2522.  
  2523. STEP 1.  Instruct students to put on the gloves and begin working with the
  2524. tools and other items.  The gloves represent the stiff, bulky gloves astronauts
  2525. wear while on space-walks.
  2526.  
  2527. STEP 2.  Have your students compare the difficulty of doing a particular task
  2528. such as wiring a lamp cord to a plug, assembling a structure out of
  2529. construction toys, or writing a message, with and without gloves. .
  2530.  
  2531. STEP 3.  Ask your students to try to design tools that could help them do their
  2532. work in space if they were repairing a satellite.
  2533.  
  2534. DISCUSSION:
  2535.  
  2536. Spacesuit gloves can be stiff and hard to work in.  The gloves worn by Apollo
  2537. astronauts on the Moon caused much finger fatigue and abrasion during long Moon
  2538. walks.  Designers for the Shuttle spacesuit have placed special emphasis on
  2539. making pressurized gloves more flexible and easy to wear.  This is not a simple
  2540. task because, when inflated, gloves become stiff just like an inflated balloon.
  2541. Designers have employed finger joints, metal bands, and lacings to make gloves
  2542. easier to use.
  2543.  
  2544. A second effort is underway to create design tools for use with spacesuit
  2545. gloves.  Even with very flexible spacesuit gloves, small parts and conventional
  2546. tools can be difficult to manipulate.  This activity illustrates the problem of
  2547. manipulating objects and encourages students to custom-design tools to help
  2548. spacewalkers do their jobs.
  2549.  
  2550. STUDENT PROJECT 3: EVA Tools and Workstations
  2551.  
  2552. TOPIC: The design of EVA tools and workstations for Space Station Freedom
  2553.  
  2554. BACKGROUND INFORMATION: When Space Station Freedom is constructed, astronauts
  2555. may have to don their spacesuits and participate in a variety of assembly tasks
  2556. to bring its parts together.  After the station becomes operational, EVAs will
  2557. be necessary for periodic Space Station maintenance, unscheduled repairs, and
  2558. to service payloads.  Years of EVA experience have shown that even simple jobs,
  2559. such as turning a screw with a screwdriver, can be very difficult in space if
  2560. no anchor point is available for the astronaut to brace against.  Much research
  2561. has been invested in the creation of special tools and workstations to make EVA
  2562. jobs easier.  The screwdriver problem is solved with an electric screwdriver
  2563. that pits the astronaut's inertia against the friction of the screw.  Bracing
  2564. an astronaut for work is solved with workstations--platforms with footholds and
  2565. tool kits.
  2566.  
  2567. Design Project: Ask students to design tools and a workstation that can be used
  2568. by astronauts outside Space Station Freedom. The workstation should have
  2569. provisions for holding the astronaut in place, holding tool kits, providing
  2570. adequate lighting, and being moved around the outside of the Space Station to
  2571. different work sites.  The tools should make possible a variety of tasks such
  2572. as screwing screws, tightening bolts, cutting and splicing wires, and
  2573. transferring fluids.  Students should include in their designs provisions for
  2574. preventing the tools from drifting off if they slip out of an astronaut's hand
  2575. and for extending the reach of an astronaut.  Have your students illustrate
  2576. their designs and present oral or written reports on how their tools and
  2577. workstation will be used.  If possible, have them build prototype tools for
  2578. testing in simulated EVAs.
  2579.  
  2580.  
  2581. Unit 4: Exploring the Surface of Mars
  2582.  
  2583.  
  2584. GROUP PROJECT: Exploring the Surface of Mars
  2585.  
  2586. OBJECTIVE: This project encourages students to work cooperatively in the
  2587. development of a spacesuit for the exploration of the surface of Mars and to
  2588. conduct a simulated EVA on the surface of the planet.
  2589.  
  2590. BACKGROUND INFORMATION: The National Aeronautics and Space Administration has
  2591. begun planning for a bold new program that it calls the Space Exploration
  2592. Initiative. Also known as SEI, the initiative is based on the goals President
  2593. George Bush outlined in a major speech he gave on the 20th anniversary of the
  2594. first Apollo Moon landing.  The President called for a return to the Moon and
  2595. exploration of the planet Mars.
  2596.  
  2597. Making these exploration goals possible will require the development of many
  2598. new technologies, including suits for exploring the Martian surface.  The
  2599. Martian environment, although less hostile than that of outer space, is such
  2600. that a human could not survive there without protection.  Although NASA has
  2601. extensive experience with spacesuits used on the Moon and with suits used on
  2602. the Space Shuttle, Mars offers new challenges in suit design.  Mars has a
  2603. gravitational pull equal to almost four-tenths that of Earth. This means that
  2604. new, lightweight structures will be needed to minimize the load the wearer will
  2605. have to bear.  Other factors to be accounted for include a thin atmosphere that
  2606. will require a new kind of suit-cooling system, wind-blown Martian dust, and a
  2607. temperature range that is similar to Earth's. These and many other factors must
  2608. be accounted for in creating a new suit for exploring Mars.
  2609.  
  2610. Teacher's Instructions: Divide your students into working groups that will each
  2611. work on some aspect of the design of new Martian exploration suits.  Each group
  2612. should select a group leader who will keep track of the activities of the group
  2613. and report on accomplishments and problems encountered.  Also select one or
  2614. more students as mission managers to see that all groups are working smoothly
  2615. and on time.  Working with the mission managers, develop a schedule for the
  2616. completion of each group's assigned task.  When the suits have been designed
  2617. and constructed, conduct a simulated mission on the surface of Mars to evaluate
  2618. the design of the suits.
  2619.  
  2620. This activity offers students many opportunities for important lessons in
  2621. problem solving.  For example, one problem is that not everyone can become an
  2622. astronaut.  When the time comes for the actual exploration of Mars, only a tiny
  2623. fraction of the people on Earth will be able to go.  In this activity, only two
  2624. of the students will wear the suits in the simulation.  How should those
  2625. students be selected?  What criteria should be used?  What about the people
  2626. left behind?  The important lesson is that everyone's job is important and that
  2627. teamwork is essential or else the mission would not be possible.  The success
  2628. of the Martian explorers is the success of everyone involved.
  2629.  
  2630. Another of the opportunities offered by this activity is the involvement of
  2631. parents and community members.  Parents and community members may be willing to
  2632. donate suit construction materials and help with the sewing and other tasks of
  2633. fabrication.
  2634.  
  2635. Student Challenge:
  2636.  
  2637. You have been assigned to work on one of the teams that will design and test
  2638. new exploration suits for use on the surface of the planet Mars. You will be
  2639. given a specific assignment as part of one of several working groups.  The goal
  2640. for all working groups is to bring the components of two prototype suits
  2641. together so that they can be tested on a simulated Martian mission.  Because
  2642. you will be developing prototype suits for testing on Earth, these suits will
  2643. not have to be sealed and pressurized.
  2644.  
  2645. Working Group Assignments
  2646.  
  2647.  
  2648.  
  2649. Working Group 1: Research
  2650.  
  2651. What is the environment of Mars like?  Go to astronomy books and encyclopedias
  2652. to find out such important environmental characteristics of Mars as its surface
  2653. gravity, atmospheric pressure, atmospheric composition, temperature range, and
  2654. surface composition.  Also determine the average size of the students in the
  2655. class so that the group working on the design and construction will know how
  2656. large to build the prototype suits.  Determine the range and average of your
  2657. classmates' measurements, including their body height and arm and leg length.
  2658.  
  2659. (Teacher's Note: Because of sensitivity to weight, measuring waists and chests
  2660. is not recommended.  The prototype suits should be made in a large or extra
  2661. large size to fit any of the students.)
  2662.  
  2663.  
  2664. Working Group 2: Design
  2665.  
  2666. What will the Martian suit look like?  To answer this question, network with
  2667. the research working group to find out what the Martian environment is like.
  2668. The research working group can also tell you how big to make the suits.
  2669. Contact the life-support working group for details on how the suit will provide
  2670. a suitable atmosphere, temperature control, and food and water.  Furthermore,
  2671. consider what kinds of tools the Martian explorers are likely to need.  Create
  2672. drawings of the Martian suits and patterns for their construction.
  2673.  
  2674.  
  2675. Working Group 3: Life Support
  2676.  
  2677. How will you keep the Martian explorers alive and safe in their exploration
  2678. suits?  What will you do to provide air for breathing, provide pressure, and
  2679. maintain the proper temperature?  How will you monitor the medical condition of
  2680. the explorers?  Contact the research working group for details on the
  2681. environment of Mars. Make drawings of the Mars suit's life-support system and
  2682. write descriptions of how it will work.  Share your plans for life-support with
  2683. the design working group.
  2684.  
  2685.  
  2686. Working Group 4: Construction
  2687.  
  2688. From what will you build the Martian exploration suits?  Contact the design and
  2689. life-support working groups for the suit components you must build.  Obtain
  2690. suit patterns from the design working group and collect the necessary
  2691. construction materials.  Build two Mars exploration suits.  You may be able to
  2692. get donations of construction materials from community businesses and the
  2693. assistance of parents in fabricating the suits.
  2694.  
  2695. Working Group 5: Astronaut Selection and Training
  2696.  
  2697. Who should be selected to be the astronauts in the simulated mission?  Create
  2698. application forms for interested students who wish to become Martian explorers.
  2699. Give an application to every interested student.  Conduct interviews and select
  2700. prime and backup crews for the simulated mission.  Design a simulated Mars
  2701. mission that will last 15 minutes.  What should the explorers do on Mars?
  2702. Obtain materials to create a mini-Martian environment in one corner of the
  2703. classroom.  Contact the research working group to learn what the surface of
  2704. Mars looks like.  Develop training activities so that the prime and backup
  2705. crews can practice what they will do when they test the suit.  Create emergency
  2706. situations of the kind that might be encountered on Mars so that the crews can
  2707. practice emergency measures.  One emergency might be a dust storm.
  2708.  
  2709. The Simulation:
  2710.  
  2711. Prepare a small test area in one corner of the classroom or in a separate room.
  2712. Decorate the test area to resemble a portion of the Martian environment.  Also
  2713. prepare a Mission Control center where the test conductors can observe the
  2714. simulated mission and communicate with the astronauts.  If video equipment is
  2715. available, set up a television camera on a tripod in the test area and stretch
  2716. a cable to a television monitor in Mission Control. To add additional realism,
  2717. communicate with the astronauts using walkie-talkies.  During the simulation,
  2718. one very important communication issue will have to be set aside.
  2719. Communication between Mission Control and the astronauts during the simulation
  2720. will be instantaneous.  During the actual mission to Mars, one-way
  2721. communication time between Mars and Earth will be at least 20 minutes.  If an
  2722. astronaut asks a question of mission control, 20 minutes will elapse before the
  2723. message will reach Earth and another 20 minutes will elapse before the answer
  2724. can be returned.  Consequently, the Martian explorers will have to be very well
  2725. trained to meet every kind of emergency imaginable.
  2726.  
  2727. Additional Activities:
  2728.  
  2729. * Create a mission patch.
  2730.  
  2731. * Publish a project newsletter filled with stories about working group
  2732. activities, Mars, and other space exploration information.
  2733.  
  2734. * Invite parents and community members to observe the simulation.
  2735.  
  2736. * Let every student try on the suits and take photos for keepsakes.
  2737.  
  2738.  
  2739.  
  2740. Glossary
  2741.  
  2742. AMU             Astronaut Maneuvering Unit
  2743. Apollo          NASA project that landed astronauts on the Moon
  2744. CCA             Communications Carrier Assembly
  2745. CCC             Contaminant Control Cartridge
  2746. DACT            Disposable Absorption and Containment Trunk (female 
  2747.                 urine-collection system)
  2748. DCM             Displays and Control Module
  2749. EEH             EMU Electrical Harness
  2750. EMU             Extravehicular Mobility Unit
  2751. EVA             Extravehicular Activity; Extravehicular Visor Assembly
  2752. Gemini          NASA project that pioneered space flight technologies for 
  2753.                 spacecraft rendezvous and docking and spacewalking
  2754. HHMU            Hand-Held Maneuvering Unit
  2755. HUT             Hard Upper Torso
  2756. IDB             In-Suit Drink Bag 
  2757. LCVG            Liquid Cooling-and-Ventilation Garment
  2758. MMU             Manned Maneuvering Unit
  2759. Mercury         The NASA project that launched the first U.S. astronauts into 
  2760.                 space and demonstrated that humans could live and work in space
  2761. PLSS            Primary Life-Support System
  2762. RMS             Remote Manipulator System
  2763. SCU             Service and Cooling Umbilical
  2764. SEI             Space Exploration Initiative
  2765. Skylab          First U.S. space station
  2766. SOP             Secondary Oxygen Pack
  2767. Space Shuttle   Reusable spaceship currently  used for all U.S. manned space
  2768.                 missions        
  2769. Space Station Freedom   The international space station under development by 
  2770.                 NASA, European Space Agency, Japan, and Canada
  2771. UCD             Urine Collection Device (male urine- collection system)
  2772.  
  2773. References and Resources
  2774.  
  2775.  
  2776. Allen, J.P. with Martin, M. (1984), Entering Space, An Astronaut's Odyssey,
  2777. Stewart, Tabori & Chang, New York.
  2778.  
  2779. Challenger Center (1991), Suited for Space Activity Book, Challenger Center for
  2780. Space Science Education, Alexandria, VA.
  2781.  
  2782. Compton, W. & Bensen, C. (1983), Living and Working In Space, A History of
  2783. Skylab, NASA SP-4208, Scientific and Technical Information Branch, NASA,
  2784. Washington.
  2785.  
  2786. Froehlich, W. (1971), Apollo 14: Science at Fra Mauro, EP-91, NASA, Washington.
  2787.  
  2788. Machell, R. ed. (1967), Summary of Gemini Extravehicular Activity, NASA SP-
  2789. 149, Scientific and Technical Information Division, Office of Technology
  2790. Utilization, NASA, Washington.
  2791.  
  2792. Mohler, S.R. & Johnson, B.H. (1971), Wiley Post, His Winnie Mae, and the
  2793. World's First Pressure Suit, Smithsonian Institution Press, Washington.
  2794.  
  2795. NASA (1973), Apollo, EP-100, NASA, Washington.
  2796.  
  2797. NASA (1970), Apollo 12, A New Vista for Lunar Science, EP-74, NASA, Washington.
  2798.  
  2799. NASA (1971), Apollo 15 At Hadley Base, EP-94, NASA, Washington.
  2800.  
  2801. NASA (1972), Apollo 16 At Descartes, EP-97, NASA, Washington.
  2802.  
  2803. NASA (1973), Apollo 17 At Taurus-Littrow, EP-102, NASA, Washington.
  2804.  
  2805. NASA (1991), Go For EVA, Liftoff to Learning Series. (Videotape), Education
  2806. Working Group, Johnson Space Center.
  2807.  
  2808. NASA (1987), The Early Years: Mercury to Apollo-Soyuz, Information Summaries,
  2809. PMS 001-A, Kennedy Space Center, FL.
  2810.  
  2811. NASA (1970), The First Lunar Landing As Told by The Astronauts, EP-73, NASA,
  2812. Washington.
  2813.  
  2814. Vogt, G. (1987), Spacewalking, Franklin Watts, New York.
  2815.  
  2816. Vogt, G. and Haynes, R. (1990), Spacesuit Guidebook, PED-117, NASA, Washington.
  2817.  
  2818.