宇宙飛行士が宇宙で「数歩」歩くためには、どのような訓練をする必要があるのでしょうか？

12月21日21時35分、約7時間半の船外活動を経て、神舟17号の宇宙飛行士乗組員は、宇宙ステーションのロボットアームと地上の科学研究者の協力と支援を得て、天河コアモジュールの太陽翼の修理テストなどの定められたタスクを完了した。宇宙飛行士の唐紅波氏と唐勝傑氏は無事に文天実験モジュールに帰還し、船外活動は完全に成功しました。宇宙飛行士の唐紅波氏は2年ぶりに再び宇宙を歩き、宇宙飛行士の唐勝傑氏は我が国で船外活動を行った最年少の宇宙飛行士となりました。

宇宙飛行士の唐紅波と唐勝傑が船外活動を実施

船外活動は、地上と上空の有人往復、ランデブー・ドッキングとともに、有人宇宙飛行の3つの基本技術の一つとして知られています。有人宇宙飛行の発展、特に宇宙ステーションの建設、宇宙での保守・修理、宇宙救助などのミッションにおいて、独特かつ重要な役割を果たしています。

「宇宙遊泳」について詳しく見てみましょう。

宇宙遊泳とは何ですか？ただ宇宙を散歩するだけでしょうか?

宇宙遊泳とは宇宙飛行士の船外活動を指します。船外活動とは、宇宙飛行士が有人宇宙船や他の天体上に建設された基地を離れ、自らの生命維持装置に頼って宇宙空間や他の天体の表面で作業や活動を行い、その後有人宇宙船や基地に戻る一連のプロセスの総称です。ここでの有人宇宙船には、宇宙船、スペースシャトル、宇宙ステーション、月着陸船が含まれます。

宇宙ステーションは長期間宇宙で運用され、人類にとって重要な科学研究と実験の場を提供します。しかし、宇宙ステーションは規模が大きく構造が複雑なため、ロケットで直接宇宙に打ち上げることはできません。代わりに、各コンポーネントと機器は1つずつ打ち上げられ、その後宇宙で組み立てられるため、宇宙飛行士が船外活動を行う必要があります。関連機器の組み立てやパノラマカメラの引き上げなどの任務を遂行した劉伯明氏と唐紅波氏の船外活動は、このタイプの活動に属する。

宇宙船の軌道上メンテナンスは船外活動の重要な任務です。衛星、宇宙船、宇宙ステーションの開発と打ち上げには莫大な投資が必要です。軌道に入ると、機器の故障や計器の故障など、さまざまな安全上のリスクに直面し始めます。時には、数センチメートルの宇宙ゴミが数千万ドルの価値がある宇宙船を破壊することもあります。多くの場合、宇宙船を復活させて稼働を継続させるには、少数の部品を交換するだけで済みます。

中国の宇宙飛行士が宇宙を去る

米国のスペースシャトル時代、宇宙飛行士は飛行ミッションのたびに修理とメンテナンスの作業を行わなければなりませんでした。 1990年、15億ドル相当のハッブル望遠鏡が宇宙に打ち上げられた後、故障により性能が低下した。 7回の船外活動と約50時間の軌道上メンテナンスを経て、宇宙飛行士たちは、より長い寿命とより高い精度で衛星の動作を継続させることに成功した。国際宇宙ステーションの建設は、設計寿命を10年から15年として1998年に始まりました。宇宙飛行士たちの懸命な努力のおかげで、今日まで順調に稼働し続けています。

有人宇宙飛行は非常に危険です。有人宇宙船が宇宙で重大な故障に遭遇した場合、宇宙飛行士は故障した宇宙船を離れ、船外活動によって別の宇宙船に乗り込むか、またはこのようにして他の宇宙飛行士の宇宙救助を行う必要があります。将来、人類が月に着陸すると、宇宙遊泳のミッションは大幅に拡大し、月面基地の建設、資源の探査と採掘、科学調査などの重要な任務を推進するために、通常の仕事になる可能性もあります。

宇宙に行きたいですか？まずこの4つのレベルを通過する必要があります

宇宙遊泳は宇宙探査において最も危険な作業の一つです。宇宙飛行士は宇宙船の保護を離れ、一人で広大な宇宙空間に入り、秒速約8キロメートルの速度で軌道上を浮遊します。同時に、彼らは真空、強い放射線、無重力、そして交互に訪れる急激な寒さと暑さといった過酷な宇宙環境の試練に直面します。

宇宙飛行士が宇宙を歩き、体を動かす

真空環境では、宇宙飛行士が有効な保護手段を失うと、15秒以内に酸素不足で意識を失い、30秒以内に死亡します。大気圧がなければ、体内の血液や体液は沸騰したお湯のように「沸騰」し、皮膚、組織、臓器は外側に膨張します。

宇宙には地球の大気や磁場の障壁がないため、宇宙飛行士は太陽フレアの際に放出される太陽光線、銀河の高エネルギー粒子、紫外線、赤外線、無線周波数放射線などの非電離放射線など、さまざまな宇宙放射線に直接さらされることになります。これらの放射線は人体にさまざまな程度の害を及ぼす可能性があります。安全限度を超えると、宇宙飛行士は放射線障害を患ったり、命に危険が及ぶこともあります。

宇宙の無重力環境では、宇宙飛行士は前庭機能障害を経験し、めまい、吐き気、嘔吐などの「宇宙酔い」を引き起こします。長期間の無重力状態は、人体のカルシウム、リン、マグネシウムなどの無機塩の排泄量の増加を引き起こし、骨粗しょう症や筋萎縮につながります。

宇宙には空気がないので対流はなくなり、温度変化は非常に急激になります。宇宙ステーションは90分で地球を一周しますが、その半分の時間は太陽にさらされ、残りの半分の時間は地球に遮られます。露出すると温度が100℃を超え、遮蔽すると-100℃まで下がります。気温が急激に変化する過酷な環境の中で、宇宙飛行士にとって数時間に及ぶ船外活動は、肉体的にも精神的にも大きな試練となります。

宇宙飛行士は船外活動中に 4 つのレベルの宇宙環境に直面する必要があり、船外宇宙服はテストに合格するための究極の保証となります。

船外宇宙服は、衣服、ヘルメット、手袋、宇宙ブーツで構成されています。最も複雑なのは衣服で、内側から外側にかけて 6 層になっています。最内層はライニングと尿収集装置であり、その次に熱を放散するための液体冷却通気層が続きます。第３層と第４層は、それぞれ宇宙服内の圧力を維持する加圧気密層と、加圧気密層の外方向への膨張を制限する制限層である。 5層目はキャビン外の極端な温度差に対処するための断熱層です。最外層は保護層で、柔らかさ、耐貫通性、耐摩耗性、耐高温性、耐燃焼性、耐腐食性、耐放射線性に優れた各種繊維複合織物で作られており、他の機器とのインターフェースを備えています。

船外活動用の宇宙服を着用した宇宙飛行士

また、船外宇宙服は、独立したバックパック型の生命維持装置、ガス、液体、電気による支援システム、計測・制御、通信機器を備えており、最も小型の宇宙船ともいえます。

我が国の「飛天」船外宇宙服は重量が100キログラムを超え、完全にデジタル化された電子制御システムを採用しています。宇宙飛行士の長期船外活動や複数回の再利用をサポートします。全体的な効率が高く、信頼性と快適性も向上し、宇宙飛行士の宇宙遊泳に最も信頼性の高い保護を提供します。

宇宙飛行士は宇宙遊泳の前にどのような準備をする必要がありますか？

宇宙遊泳前の船外活動の準備手順も非常に複雑です。宇宙飛行士は何百もの装置を操作する必要があり、専門知識と操作スキルが強く求められます。宇宙飛行士は、あらゆる装置の形状、位置、操作方法、操作手順、および関連する動作を認識している必要があります。小屋から出かける前には何日もかけて準備し、出かける当日も数時間前から準備する必要があります。

船外活動中、2人の宇宙飛行士はまず船外活動服を着用し、宇宙服と宇宙服搭載ドッキングシステムのシステム検査を実施し、その後、宇宙服に穴を開けてサイズを調整し、気密性をチェックし、完全な性能テストを実施してすべてが正常であることを確認した。 「着替え」のプロセス中、2人の宇宙飛行士は互いに協力し、一方が操作している間にもう一方が操作マニュアルを読んで確認し、すべての手順が確実に実行されるようにした。

キャビンを出る前の準備

2番目のステップは、軌道上での訓練を実施することです。宇宙飛行士は船外活動服を着用した後、無重力状態での動作や操作の特性を体験するために動作やさまざまな模擬操作を行う必要があります。地上には無重力訓練ができる中性浮力タンクがありますが、これと実際の宇宙環境の間にはまだ大きなギャップがあります。同時に、宇宙飛行士はハッチを開くための正しい位置と、手足の支点を見つける必要があります。軌道上訓練中、宇宙飛行士は船外活動の手順にさらに慣れるために、軌道上準備と船外活動のすべてをリハーサルする必要がありますが、宇宙酔いを防ぐために運動量は多くてはなりません。これらの作業を完了した後、宇宙飛行士はしばらく休息します。

最後のステップはゲート通過手続きとドアの開放です。宇宙飛行士は、有人キャビンにつながる内側のドアと、宇宙空間につながる外側のドアの 2 つのドアがあるエアロックを通って宇宙ステーションに出入りします。宇宙飛行士はエアロックに入った後、内部キャビンのドアを閉め、船外活動服を加圧し、減圧症を避けるために酸素を吸い込むと同時に窒素を排出します。エアロックキャビンはゆっくりと 3 kPa まで減圧され、船外活動服のガス液体結合コネクタは宇宙船から切り離され、宇宙活動服は完全に自律的な酸素供給と冷却に切り替わります。

空気圧が約1kPaまで下がると外扉が開けられるようになります。ドアを開ける際は、まずロックを解除し、キャビン内外の圧力が均衡するまで待ってから、ドアを完全に開けてください。宇宙飛行士は、船室を出る前に、船室に出入りする際に傷がつかないように、船室のドアを保護カバーで覆わなければなりません。このプロセスの間、宇宙飛行士は常に片手を使って体を安定させ、すべての動作を片手で完了する必要があります。

数時間の準備の後、宇宙飛行士たちは無事に船外キャビンのドアを開け、正式に船外活動を開始しました。

なぜ宇宙遊泳は宇宙を自由に旅することではないのでしょうか?

宇宙飛行士が船室から出て船外活動を行う場合、物理法則に厳密に従う必要があります。これは非常に危険な仕事です。気をつけないと、宇宙ステーションによって宇宙に投げ出されてしまいます。完全な一連のアクションと技術仕様に従う必要があります。

国内外の専門家の計算や国際宇宙ステーションの経験によれば、宇宙飛行士は船室を離れた後、宇宙ステーション（出発地点に関連）といくつかの異なる相対運動軌道を維持し、宇宙飛行士の運動軌道は通常楕円形になる。宇宙飛行士が船室から出るときに使用する力と角度は、「宇宙飛行」中の軌道に影響を及ぼします。力や角度が少しでもずれると、宇宙に落ちてしまいます。そのため、宇宙飛行士は宇宙遊泳を行う前に、豊富な物理学の知識を持ち、何千回もの訓練を受けなければなりません。

船外活動を行う際、宇宙飛行士は安全ロープを締めなければなりません。宇宙飛行士は無重力状態にあり、足で歩くことができないため、手やロボットアーム、有人操縦装置を使って体を動かさなければなりません。宇宙飛行士の移動を容易にするために、宇宙ステーションのキャビンの外側に手すりが特別に設置されており、宇宙飛行士は腕力と体力を必要とするロッククライミングのように体を移動することができます。

通常、2人の宇宙飛行士が船室から出る場合、1人は宇宙ステーションの外にある手すりを頼りに従来の方法に移動し、もう1人はロボットアームの支援を受けて移動する。同時に、地上測定管制センターのサブシステムは緊密に連携し、天聯シリーズの衛星を介した通信接続を確立し、宇宙飛行士の船外活動状況を地上でリアルタイムに観測し、宇宙飛行士と地上との対話と通信を行うための高速音声・画像中継サービスを提供した。

宇宙飛行士の船外活動の安全を確保するためには、船外活動に最適な時間、つまり船外活動の時間帯を選ぶ必要があります。時間の選択は人や機材の安全を考慮し、できるだけ日当たりの良い場所で行ってください。宇宙ステーションが低軌道で稼働しているとき、南大西洋異常帯を何度も横断します。このエリアの異常な放射線は電子機器や機器に影響を与え、人体にも非常に有害です。したがって、このエリアを避けるように船外活動を手配する必要があります。

宇宙飛行士は宇宙で「数歩」歩くためにどのような訓練をするのでしょうか？

船外活動ミッションを成功させるためには、宇宙飛行士は船外活動や船外メンテナンスに関する訓練も行わなければなりません。これらには、基礎理論トレーニング、身体トレーニング、心理トレーニング、専門的・技術的なトレーニングなどの通常のトレーニング プログラムと、船外活動手順トレーニング、無重力トレーニング、低圧キャビン トレーニング、船外活動ミッション トレーニングなどの生理学的限界に挑戦する高難易度のトレーニング プログラムの両方が含まれます。

EVA訓練は、宇宙飛行士のEVA訓練の中で最も重要かつ包括的な訓練プログラムです。これは、宇宙飛行士の理論的知識と専門的スキルの習得に基づいて実行され、エアロックを備えた船外活動シミュレーターという特別な装置で実施されます。宇宙飛行士は船外活動のプロセスと動作特性をシミュレートするために、訓練用の船外活動用宇宙服を着用します。

船外活動手順の訓練項目は多数あり、基本的には船外活動の準備から、船外活動終了後の帰還、船外活動服の片付けまで、作業手順全般を網羅しています。訓練内容には、内外のドアの開閉、船外活動服とエアロックの点検、高流量酸素による船外活動服のフラッシュ、酸素の吸入と窒素の排出、宇宙服への搭乗、エアロックの減圧と再加圧、その他の訓練項目が含まれます。

宇宙飛行士の船外活動には、主に宇宙ステーションのメンテナンス、トラブルシューティング、組み立て、宇宙船の展開と回収などがあり、無重力状態での宇宙飛行士の非常に高い作業能力と操作精度が求められます。

このトレーニングのほとんどは、無重力を模した水槽で行われます。模擬無重力水タンクは、タンク本体、水処理システム、人体生理パラメータ監視システム、高圧ガス源システム、救命・医療救助装置で構成されています。水質は飲料水基準を満たしていなければなりません。水深は10～15メートルで、実物と同じ大きさの宇宙ステーションのエアロックキャビンがあります。

訓練中、宇宙飛行士は訓練用の船外活動服を着用して水中に入ります。宇宙服の重りと浮力装置を調整することで、水中での浮力と重力が均等になり、宇宙飛行士は水中に浮かぶことができます。このとき、宇宙飛行士は無重力状態にあり、これは宇宙での無重力の感覚に非常に似ています。多くの訓練を繰り返すことで、無重力状態での運動の法則や宇宙での活動の方法や技術を習得することができます。

宇宙飛行士が水中訓練を実施

しかし、この方法では無重力環境を完全に復元することはできません。一方、人体の生理反応は依然として重力環境下にあります。一方、水中での移動時の水の抵抗は、無重力状態のそれとは全く異なります。そのため、宇宙飛行士は宇宙に入った後に適応訓練を行わなければなりません。

真空・低圧環境訓練は、特殊な試験装置の低圧キャビン内で実施されます。低圧キャビンは、真空、低圧、寒さ、暑さ、放射線環境など、無重力以外の宇宙環境のほとんどをシミュレートできます。宇宙飛行士は実際の戦闘に近い状態で訓練し、酸素と窒素を呼吸したり、船外活動服に酸素を送り込んだり、エアロックを減圧・加圧したりするプロセスを実際に体験することができます。また、比較的現実的な環境で船外服を着用し、宇宙服の電源障害、換気障害、温度制御障害、宇宙服の漏れ、船外服の換気、温度制御、計器の監視などの操作訓練や障害処理訓練を実施することもできます。