宇宙飛行士は、キャビンの外でミッションを実行するときにも窓の外を見る必要がある。

9月17日、神舟14号の宇宙飛行士乗組員は2回目の船外活動を実施した。宇宙飛行士の陳東、劉洋、蔡旭哲は緊密に協力し、約5時間の船外活動を無事に完了した。この間、船外パワーアシストハンドルの設置、負荷回路拡張ポンプ群の設置、船外救助の検証などの作業を完了しました。宇宙環境が極めて過酷だということは、あまり知られていません。宇宙飛行士の安全を確保し、ミッションを成功させるためには、船外活動もタイミングと時間帯を考慮する必要があります。

神舟14号の宇宙飛行士乗組員が2回目の船外活動を実施

安全第一、放射線と瓦礫からの保護

宇宙環境は極めて過酷です。日光が当たる部分の気温は120度を超えますが、日陰の部分の気温はマイナス100度以下になります。さまざまな宇宙放射線による脅威もあります。宇宙飛行士の船外活動は非常に危険な活動であり、船外活動の期間を選択する際には、宇宙放射線が宇宙飛行士の身体的健康に与える影響をまず考慮する必要があります。

地球の磁場とヴァン・アレン放射線帯の存在により高エネルギー放射線の大部分は遮断されますが、地球の磁場の分布は均一ではありません。世界中に磁気異常地帯が存在します。これらのうち最大のものは南大西洋とブラジル南部に位置しており、磁場の強度は世界の他の地域よりもはるかに弱い。

南太平洋の負の地磁気異常帯の上では、ヴァン・アレン帯の内側放射線帯は非常に低く、約 200 キロメートルの低さに達します。これにより、低軌道の宇宙船はこの領域の上空でより多くの高エネルギー放射線にさらされることになります。そのため、この地域は南大西洋放射線異常帯と呼ばれています。

現在、国際宇宙ステーションと我が国の宇宙ステーションの宇宙飛行士が宇宙船から出る前に、彼らが最初に考慮するのは、南大西洋の放射線異常帯が自分の体に与える影響です。彼らは船外活動中に南大西洋の放射線異常地帯で過ごす時間を最小限に抑えるよう努めています。そのため、地上スタッフは、宇宙飛行士が船外活動中に浴びる放射線の累積量に基づいて宇宙飛行士を評価し、船外活動期間を合理的に計画することになります。

さらに、強力な太陽フレア活動によって引き起こされる磁気嵐も、ヴァン・アレン放射線帯の変化を引き起こす可能性があります。太陽から放出される高エネルギー陽子は地球の磁場の奥深くまで浸透し、宇宙飛行士に深刻な放射線障害を引き起こす可能性がある。そのため、宇宙飛行士は宇宙環境予測に基づいて時間枠を選択し、宇宙環境要因を総合的に考慮し、船外宇宙服の放射線遮蔽機能を組み合わせて客室を離れる必要があります。

さらに、人類の宇宙活動の増加に伴い、地球の軌道上の宇宙ゴミもますます増加しています。宇宙飛行士は、天然の微小隕石と合わせて、宇宙船を離れる際に、宇宙からのこれらの招かれざる客を避けることも考慮しなければなりません。そのため、地上管制センターは、宇宙監視ネットワークによって監視される軌道目標データと宇宙ステーションの軌道パラメータに基づいて衝突予測を行い、衝突警告が生成されない時間帯を選択して、宇宙飛行士が船室から出てミッションを遂行できるようにします。

電源と太陽光の角度が重要

現在、有人宇宙船や宇宙ステーションで使用される電力は太陽光パネルから供給されています。太陽高度角は、軌道高度、傾斜角、太陽の動きに応じて常に変化します。回転範囲が制限された太陽電池パネルでは、太陽の入射角が制限されるため電力供給が不安定になり、宇宙飛行士が船室から出ることを制限する重要な要因にもなります。

2008年、我が国の有人宇宙船「神舟7号」は、神舟5号や神舟6号のような10月ではなく、9月25日に打ち上げられました。その重要な理由の一つは、その年の9月末に宇宙船が軌道上に打ち上げられた後、宇宙船に設置された太陽電池パネルと太陽の角度が、宇宙飛行士が船室から脱出するのに適していたことだった。

神舟宇宙船の太陽電池パネルは限られた自由度でしか回転できないが、中国の宇宙ステーションのさまざまなモジュールに設置されている太陽電池パネルははるかに柔軟性が高い。それでも、天河コアモジュールの飛行中、大型ロボットアームの船外移動経路の安全性を考慮し、宇宙飛行士の船外活動中は太陽電池パネルを垂直ゼロ状態に設定し、太陽電池パネルが日々回転しないようにした。現時点では、太陽の入射角により、太陽電池の発電能力は大幅に制限されます。宇宙ステーションは、適切な太陽入射角の範囲内でのみ十分な電力供給を確保できるため、宇宙飛行士の船外活動が制限され、制約されます。

国際宇宙ステーションにおける宇宙飛行士の船外活動は、基本的に太陽電池パネルへの太陽光の入射角度の影響を受けません。これは、国際宇宙ステーションの設計が非常に進んでいることを意味するのではなく、宇宙ステーションには多くのモジュールとさまざまな角度の太陽電池パネルがあるか、または、大きな二重自由度の太陽電池パネルが加圧モジュールから遠く離れているため、船外活動による影響が少ないことを意味します。

現在、中国の宇宙ステーションの天河コアモジュールと文天実験モジュールが軌道上でドッキングした後、「神舟14号」ミッションの2回目の船外活動を例にとると、宇宙飛行士は文天実験モジュールの小型ロボットアームのみを使用したため、コアモジュールの太陽電池パネルは大型ロボットアームの運動制約を考慮する必要がなく、太陽とともに正常に回転することができ、コアモジュールへの電力供給を確保しました。

神舟14号の宇宙飛行士乗組員は2回目の船外活動を実施した。

しかし、小型ロボットアームの移動経路の安全性を考慮し、中継衛星通信アンテナを遮らないようにするため、ウェンティアン実験室キャビンのソーラーパネルは水平ゼロに設定され、太陽とともに回転しないようにしたため、ウェンティアン実験室キャビンの電力供給も制限されました。

今年、孟天実験モジュールが軌道上に打ち上げられ、他の2つのモジュールとドッキングすると、中国の宇宙ステーションの3つのモジュールの電力が送電網に接続され、宇宙飛行士が船室から脱出する窓が電力供給によって制限されなくなる。

宇宙と地上の通信は船外支援にとって極めて重要

有人宇宙船の遠隔測定と通信を確実にするために、世界の主要宇宙大国は包括的な地上遠隔測定および通信ネットワークを確立しました。最新の追跡およびデータ中継衛星の出現により、測定および制御システムは地理的制限から解放され、軌道範囲が大幅に拡大しました。

現在、米国の有人宇宙追跡管制ネットワークの低軌道におけるカバー率は85％を超えており、我が国の有人宇宙追跡管制ネットワークのカバー率はさらに高くなっています。しかし、地上間の通信は依然としてさまざまな悪天候の影響を受けます。たとえば、大雨は雨による信号減衰に大きな影響を与えます。

宇宙飛行士は船外活動中に映像や音声をリアルタイムで送信し、また、船外活動は数時間に及ぶこともあるため、中継衛星は計測・制御機能や通信サポートの主力となります。大雨などの悪天候に遭遇すると、地上と宇宙間の通信における音声や映像の伝送に異常が生じ、宇宙飛行士の船外活動を効果的にサポートできなくなる可能性があります。したがって、地上の天候も、宇宙飛行士が宇宙船から出る時間の選択に影響を与える重要な要素です。

船外活動は危険を伴うため、慎重な準備と地上と宇宙ステーション間の支援作業が必要です。宇宙飛行士にとって、宇宙ステーションの外では昼と夜が約 90 分ごとに切り替わります。しかし、宇宙飛行士や地上スタッフの作業・休憩時間を考慮し、天と地が同期した作業・休憩システムが今も採用されています。

このように、地上職員の通常の勤務時間や体調を考慮し、宇宙飛行士の船外活動は可能な限り日中に行われるようにし、地上職員が宇宙飛行士が最良の状態で船外活動ミッションを遂行できるようサポートすることを目指します。

また、地球の軌道上には重力がないため、宇宙飛行士が船室から出ることは簡単そうに見えますが、実際には多くの体力とエネルギーを消費する作業です。彼らの身体的状態も、宇宙飛行士が船室を出る時間を制限する要因となっている。宇宙飛行士は、身体の状態が最高の場合にのみ、船外活動を実施できるようになります。 （著者：張雪松）