 周回カエル耳石（OFO）宇宙船 | |
| ミッションの種類 | 生物科学 |
|---|---|
| 運用者 | NASA |
| COSPAR ID | 1970-094A |
| SATCAT番号 | 04690 |
| ミッション期間 | 6日間 |
| 宇宙船の特性 | |
| 製造元 | エイムズ研究センター |
| 打ち上げ質量 | 132.9キログラム（293ポンド） |
| 寸法 | 1.68×0.76メートル（5.5×2.5フィート） |
| ミッション開始 | |
| 打ち上げ日 | 1970年11月9日 6:00:00 UTC ( 1970-11-09 UTC06Z ) |
| ロケット | スカウトB S174C |
| 打ち上げ場所 | ワロップス LA-3A |
| ミッション終了 | |
| 着陸日 | 1971年5月9日 ( 1971-05-10 ) |
| 軌道パラメータ | |
| 基準システム | 地心軌道 |
| 軌道 | 低地球軌道 |
| 離心率 | 0.02009 |
| 近地点高度 | 300キロメートル（190マイル） |
| 遠地点高度 | 574キロメートル (357マイル) |
| 傾斜角 | 37.3981度 |
| 周期 | 93.3分 |
| RAAN | 223.1857度 |
| 近地点引数 | 136.8142度 |
| 平均近点角 | 226.2623度 |
| 平均運動 | 16.50400352 |
| 紀元 | 1971年5月9日 |
| 公転番号 | 2843 |
軌道上カエル耳石（OFO）は、無重力状態の研究のために1970年11月9日に2匹のウシガエルを軌道上に打ち上げたNASAの宇宙計画でした。この名称は、一般的に用いられていたことから由来しており、衛星に搭載された生物学的実験の機能的な説明でした。耳石とは、カエルの内耳のバランス機構を指していました。
軌道上カエル耳石プログラムは、NASAの先端研究技術局（OART）の研究プログラムの一部でした。OARTの目標の1つは、宇宙と地球における前庭系の機能を研究することでした。この実験は、持続的な無重力状態への耳石の適応性を研究し、有人宇宙飛行のための情報を提供するように設計されました。耳石は内耳にある構造で、平衡制御、つまり重力に対する加速度を主要な感覚入力として伴い ます
カエルの耳石実験（FOE）は、イタリアのミラノ大学のトルクァート・グアルティエロッティ氏が、米国科学アカデミーの支援を受けてエイムズ研究センターに常駐研究員として配属されていた際に開発されました。[1]当初は1966年に初期のアポロ計画に組み込まれる予定でしたが、その計画が中止されたため延期されました。1967年後半、支援宇宙船の設計が可能になった時点で、FOEを軌道に乗せる許可が与えられました。NASAのヒューマンファクターシステム計画の一部であるこのプロジェクトは、1968年に正式に「OFO」と命名されました。一連の遅延の後、OFOは1970年11月9日に軌道に打ち上げられました
1970年のOFO-Aミッションの成功後も、研究への関心は続きました。1975年には、地球周回宇宙船で前庭機能実験を行う「前庭機能研究」と呼ばれるプロジェクトが開始されました。この飛行プロジェクトは最終的に中止されましたが、地上での研究は数多く実施されました。この研究は、 ARCにある地上の前庭研究施設など、いくつかの非常に有用な派生研究を生み出しました。[2]
OFOは、軌道地球物理観測所（OGO）、軌道太陽観測所（OSO）、軌道天文観測所（OAO）など、軌道観測所シリーズの宇宙船を表す同様の頭字語と混同しないでください。
OFO宇宙船
OFO実験は、もともとアポロ月面ミッションで使用されたハードウェアを最大限に活用するために設立されたアポロ応用計画の一環として飛行するように設計されました。しかし、実験に必要な低い加速度レベルを有人アポロ宇宙船で維持することは容易ではなかったため、後に無人衛星がより適切な乗り物として選ばれました。衛星の設計により、10⁻³ g (10 mm/s²)を超える加速度レベルへの曝露が排除されました。これは、実験標本がほぼ無重力状態を経験できることを意味しました
宇宙船の直径は約760mm（30インチ）、長さは1,200mm（47インチ）でした。[2]宇宙船の八角形の下部には電子機器が収容されていました。実験パッケージを収容した上部は円錐台形でした。この上部を覆う熱シールドは、大気圏再突入中に実験を保護しました。ヨーヨー型デスピンアセンブリは宇宙船の胴回りに配置されていました。宇宙船の側面に折り畳まれた4本のブームは、衛星の周囲に放射状に配置されていました。宇宙船が打ち上げ機から分離された後、ヨーヨー型デスピンサブシステムは宇宙船の回転を減速しました。その後、4本のブームが解放され、宇宙船の側面から伸びました。ブームの伸びにより宇宙船の慣性モーメントが増加し、加速度レベルを10-3g未満に維持することができました。 [ 2]
軌道上のカエル耳石-A
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OFO-Aミッションは、1970年11月9日（GMT 午前6時）、ワロップス島の発射場から打ち上げられました。OFO-A実験装置を搭載した衛星は、ほぼ7日間軌道上に留まりました。宇宙船の回収は計画されていませんでした。ペイロードはカエル耳石実験パッケージ（FOEP）でした
この実験の目的は、地球の重力場内で動物の姿勢の変化に反応する感覚器官である耳石に対する微小重力の影響を調査することでした
飛行実験では、 2匹のアメリカウシガエル（Rana catesbeiana）が実験対象として使用されました。ウシガエルが研究対象に選ばれたのは、その内耳迷路がヒトのものと非常に類似しているためです。両生類であるため、飛行前の手術は水上で行うことができましたが、飛行中は水中に留まることができました。水は、打ち上げ時の振動と加速を緩和し、生物とのガス交換を促進する役割を果たしました。
カエルはルイジアナ州レインにあるルイジアナ・フロッグ・カンパニーから調達されました。この町は20世紀初頭から中期にかけて、国内最大のカエル輸出地であり、「世界のカエルの首都」としてすでに知られていました。[3]地元の下院議員（後に4期知事）のエドウィン・エドワーズは、故郷のクローリーから東に6マイル離れたレインとNASAのつながりを築くのに貢献しました。[3]レイン産のカエル20匹が評価のためにNASAに送られ、そこで4匹のグループに絞り込まれました。そのうち2匹は軌道に乗り、2匹は予備乗組員として残りました。[4] [3]宇宙に送り出された2匹の標本は、ピエールとティーノム（ルイジアナフランス語で「小さな名前」という意味）と名付けられました。[5]
飛翔カエルは両方とも、胸腔に心電図（ECG）電極、前庭神経に微小電極が埋め込まれていました。カエルは、埋め込まれた電極が外れるのを防ぎ、代謝率を低下させるために、四肢神経を切断することで運動能力を低下させました。[6]この代謝活動の低下により、カエルは1か月間も餌を与えずに生き延びることができました。水に浸すことで、カエルは皮膚呼吸をすることができました。水は、二酸化炭素と熱を動物から遠ざけるのにも役立ちました。
ハードウェア
飛行ハードウェアユニットであるFOEPは、 2匹のカエルを収容する水を満たした遠心分離機を内蔵した耐圧容器であった。遠心分離機は円筒形の構造で、決められた間隔でカエルの頭部を回転させた。 [6] FOEPには、カエルのために一定の環境を維持できる生命維持装置も搭載されていた。このシステムは、液体とガスを含む2つの閉ループで構成されていた。2つのループ間のインターフェースは、人工肺として機能する選択透過性シリコンゴムであった。酸素は膜を通過してガス側から液体側へ、二酸化炭素は液体側からガス側へ透過した。カエルは液体ループに浸漬されていた。ポンプが酸素をガス含有ループを通じて循環させた。ガスループに入った二酸化炭素は吸収剤によって除去され、精製された酸素は再循環のためにポンプに戻された。水蒸発器と電気ヒーターが水温を約60 °F (16 °C) に維持した。 FOEP内の増幅システムは、動物に埋め込まれた微小電極からの電圧出力を、テレメトリー装置に必要なレベルまで増幅しました。
操作
飛行用カエルの外科的準備は打ち上げの約12時間前に完了し、動物はFOEP内に密封されました。同様の標本で予備のFOEPも準備されました。飛行用FOEPは打ち上げの約3時間前に衛星に設置されました
衛星が軌道に乗り、 10⁻g （10mm/s²）で安定すると、遠心分離機はできるだけ早く起動されました。遠心分離機は重力刺激を周期的に加えました。各周期は約8分間続き、以下の周期で構成されていました。加速のない1分間、ゆっくりと回転が始まる8秒間、一定の0.6g （ 6m/s²）の14秒間、ゆっくりと回転が停止する8秒間、そして回転の余波を測定できる6分間。[6]周期は、軌道上での最初の3時間は30分ごとに実行され、残りの飛行中はより低い頻度で実行されました。
OFO実験は軌道上で7日目まで続けられ、その時点で搭載バッテリーが故障しました。OFO宇宙船とFOEPハードウェアの回収は必要ありませんでした。2匹のカエルは実験の一環として死亡しました。
結果
実験は成功しました。心電図（ECG）指標は、飛行中のカエルが飛行中ずっと健康状態が良好であることを示しました。前庭器官の記録は予想通りに行われました。飛行中に2つの機器の故障が発生しました。キャニスター内の圧力が1平方インチあたり11ポンド（76 kPa）に上昇し、温度が9時間にわたって55°F（13℃）まで低下しました。しかし、地上で行われた対照実験では、これらの故障が飛行実験の結果にほとんど影響を与えなかったことが示されました。
無重力状態の初期段階では、いくつかの前庭反応の変化が観察されました。観察された変化はすべて、飛行の最後の10～20時間で正常に戻り、順応を示唆しています。[6]
NASAは、カエルが軌道上で6日以上過ごした後、ワシントン時間11月15日の正午直前に死亡したと報告しました。[7]
カエル耳石実験パッケージ（FOEP）
カエル耳石実験パッケージ（FOEP）には、2匹のカエルの生存を確保するために必要なすべての装置が含まれています。標本は、軌道上の試験加速度を供給する水で満たされた自己完結型遠心分離機に収容されています。カエルは、埋め込まれた電極の脱落を防ぎ、代謝率を下げるために、モーターを外されています。[8]
生命維持システム（LSS）：LSSは、FOEP内の制御された環境を維持し、モーターを取り外した2匹のカエルの生存と正常な機能を保証します。内部組立構造の下部隔壁は、すべての生命維持装置を取り付けるためのスペースを提供します
パッケージの寸法は直径18インチ（457mm）×長さ18インチ（457mm）、積載時の重量は91ポンド（41kg）でした。データ収集は、心電図、体温、前庭活動で構成されていました。また、地上設置型のFOEP試験ユニットもあり、FOEPは飛行前に接続して換気と環境条件の検証を行うことができました。
キャニスター
The outer housing of the FOEP is a pressure-tight canister 18+1⁄16 inches (459 mm) in diameter and 18+1⁄2 inches (470 mm) long. The bottom closure and removable top lid are both slightly domed to prevent implosion should pressure reversals be encountered. The inner assembly structure is fastened to a support ring approximately 6 inches from the bottom of the canister and consists of upper and lower bulkheads joined by a cylinder. Cutouts in the cylinder permit access to the centrifuge, which houses the frogs. Near the top of the canister are two electrical feed-through receptacles for the power supply and data line.
Centrifuge
遠心分離機は、直径6インチ、長さ13.5インチの中空円筒で、両端にキャップが取り付けられています。円筒はキャニスターに対して垂直に設置され、上部および下部の隔壁に収納されたボールベアリングによって支持されています。遠心分離機の回転軸は、円筒に対して直角に垂直面の中央に配置されたシャフトによって形成され、ボールベアリングによって所定の位置に保持されています。薄く浅いドーム型のエンドキャップは、漏れを防ぐためにゴム製のガスケットを介して遠心分離機の両端にボルトで固定されています。各キャップの中央には、カエルの標本を遠心分離機に挿入して浸漬する前に、エンドキャップに直接取り付けるための取り付け部があります。水は、打ち上げ時の高加速度と振動に対するクッションとして、またカエルの皮膚を介したガス交換の媒体として機能します。遠心分離機は所定の位置に固定されており、宇宙船の軌道が完全に安定するまで解放されません。遠心分離機を駆動するモーターは上部隔壁に取り付けられています。信号増幅器と加速度計は遠心分離機に取り付けられています。
中性浮力電極
微小電極は、直径50μmのタングステン線のプローブで構成されており、電気的に直径1μm未満に尖らせられ、先端まで完全に絶縁されています。プローブを収容するポリエチレンチューブ内に閉じ込められた空気の泡が浮力を加え、電極を埋め込まれた神経と同じ密度にすることで、2つが一緒に動くことを可能にします。パラフィン片を使用して電極をハンドルに接続しますが、このハンドルは埋め込みプロセス中のみ使用され、その後取り外されます。微小電極によって検出された神経インパルスは、カエルの顎に直接取り付けられた前置増幅器に送られ、宇宙船のテレメトリ用の後置データ増幅器に送られます。
生命維持システム（LSS）
カエル耳石実験パッケージ（FOEP）の生命維持システム（LSS）は、FOEP内の制御された環境を維持し、実験標本の生存と正常な機能を確保します。LSSは、体重350g（12オンス）の運動機能低下したカエル2匹の生理学的要件を満たすように設計されています。カエルは四肢神経を切断することで運動機能低下し、代謝率が低下します。この状態では、カエルは人工呼吸を必要とせず、最大1か月間、餌を与えなくても健康を維持できます。遠心分離機に設置された後、カエルは水中に完全に浸されます。水中は、カエルの皮膚を通して酸素と二酸化炭素、そして熱を交換する媒体として機能します。[9]
LSSは主に2つの閉ループで構成されています。1つは液体、もう1つはガスです。内部アセンブリ構造の下部バルクヘッドは、すべてのLSS機器の取り付けスペースを提供します。酸素供給システムはこれらのループを介して動作し、4.5cm³容量の酸素ボトル、減圧器と調整器、人工肺、CO2吸収器、および給水装置で構成されています。カエルの環境温度は、水蒸発器/ヒーターによって限定的に制御できます。
人工肺
ループ間のインターフェースは、液体とガスを分離するシリコンゴムの選択透過性膜で形成されます。肺と呼ばれるこの膜は、ガスループから液体ループへ酸素を、液体ループからガスループへCO2を通過させます。
液体ループ
遠心分離機に入れられたカエルは液体ループの中にいます。肺からカエルへ移動するループには水と溶存酸素が含まれており、カエルから肺に戻るループには水と遊離二酸化炭素が含まれています。遠心分離機の内部には二重層のポリウレタンフォームが敷かれており、カエルの排泄物が水循環システムを汚染するのを防いでいます。水は小型ポンプを使って液体ループを循環し、遠心分離機から出る前にフィルターを通過する必要があります。
ガスループ
ガスループは下部隔壁にある回路で構成されており、小型ポンプによって酸素が循環します。ポンプは純酸素を肺に送り、その一部は液体ループに入り、残りは液体ループからの二酸化炭素と混合されます。肺から、酸素と二酸化炭素の混合物は二酸化炭素を吸収するバラライム層を通過します。純酸素はバラライムからポンプに戻され、再循環されます。酸素供給は小型酸素タンクからのガスによって補充されます。
蒸発器／ヒーター
宇宙船の熱環境によって強化された水蒸発器と8ワットの電気ヒーターは、水温を60±5°F（15.5±3°C）に維持します。蒸発器への水供給は、下部ドームのすぐ上にあるキャニスター内のリングで支えられたゴム製のブラダーに収容されています。水温が公称60°Fを超えると、地上からの指令によりタイミング回路が作動し、バルブが作動します。キャニスター内の周囲圧力により、水はブラダーからバルブを通り、蒸発器に押し出されます。内部の熱負荷は熱交換器を介して蒸発器に伝達され、水の蒸発時に放散されます。
参照
参考文献
- ^ 「SP-4402 NASAの名前の由来」NASAの歴史. 2018年11月29日閲覧。
- ^ abc 「軌道上カエル耳石プログラム」エイムズ研究センター。2006年9月29日時点のオリジナルからアーカイブ。
- ^ abc 「NASAによるOTO宇宙船打ち上げで、レインのウシガエルが「大きな飛躍」を遂げる」The Rayne Acadian-Tribune。1970年10月22日。1ページ。 2024年10月15日閲覧。
- ^ 「NASA、OFOテストにレインのカエルを選択」The Crowley Post Herald。1970年10月4日。1ページ。 2024年10月15日閲覧。
- ^ 「『La Fete De Oua Oua Rons』開催」The Crowley Post Herald。1973年7月11日。1ページ。2024年10月15日閲覧
- ^ abcd 「軌道を回るカエルの耳石-A」エイムズ研究センター。2006年9月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「Rayne Space Frogs Dead」The Crowley Post-Signal。1970年11月16日。1ページ。 2024年10月15日閲覧。
- ^ 「カエルの耳石実験パッケージ（FOEP）」エイムズ研究センター。2006年9月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「生命維持システム（LSS）」エイムズ研究センター。2009年3月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。
外部リンク
- 周回するカエルの耳石OFO - NASAプレスキット（PDF形式）
- 周回するカエルの耳石実験（OFO-A）データ整理と制御実験 - NASAレポート（PDF形式）
