Welche Art von Training müssen Astronauten absolvieren, um im Weltraum „ein paar Schritte zu machen“?

Am 21. Dezember um 21:35 Uhr, nach etwa 7,5 Stunden Außenbordeinsatz, schloss die Astronautenbesatzung von Shenzhou 17 mit der Zusammenarbeit und Unterstützung des Roboterarms der Raumstation und der wissenschaftlichen Forscher am Boden den Reparaturtest des Solarflügels des Tianhe-Kernmoduls und andere festgelegte Aufgaben ab. Die Astronauten Tang Hongbo und Tang Shengjie kehrten sicher zum Wentian-Labormodul zurück und die Außenbordaktivitäten waren ein voller Erfolg. Der Astronaut Tang Hongbo betrat nach zwei Jahren erneut den Weltraum und der Astronaut Tang Shengjie war der jüngste Astronaut meines Landes, der eine Außenbordmission durchführte.

Die Astronauten Tang Hongbo und Tang Shengjie führen eine Außenbordmission durch

Der Weltraumspaziergang zählt zusammen mit dem bemannten Hin- und Rückflug zwischen Erde und Himmel sowie dem Rendezvous und Andocken zu den drei Grundtechnologien der bemannten Raumfahrt. Es spielt eine einzigartige und wichtige Rolle bei der Entwicklung der bemannten Raumfahrt, insbesondere bei Missionen wie dem Bau von Raumstationen, der Durchführung von Wartungs- und Reparaturarbeiten im Weltraum sowie der Rettung im Weltraum.

Schauen wir uns den „Weltraumspaziergang“ genauer an.

Was ist ein Weltraumspaziergang? Geht es nur um einen Spaziergang im Weltraum?

Mit „Weltraumspaziergang“ sind die Außenbordaktivitäten von Astronauten gemeint. Außenbordaktivitäten sind der allgemeine Begriff für eine Reihe von Vorgängen, bei denen Astronauten bemannte Raumfahrzeuge oder auf anderen Himmelskörpern errichtete Stützpunkte verlassen, auf ihre eigenen Lebenserhaltungssysteme angewiesen sind, um im Weltraum oder auf der Oberfläche anderer Himmelskörper zu arbeiten und Aktivitäten durchzuführen, und dann zum bemannten Raumfahrzeug oder Stützpunkt zurückkehren. Zu den bemannten Raumfahrzeugen zählen hier Raumfahrzeuge, Space Shuttles, Raumstationen und Mondlandemodule.

Die Raumstation ist über lange Zeiträume im Weltraum in Betrieb und stellt für die Menschheit einen wichtigen Standort für wissenschaftliche Forschung und Experimente dar. Allerdings ist die Raumstation riesig und komplex aufgebaut, sodass sie nicht direkt mit einer Rakete ins All geschossen werden kann. Stattdessen können alle Komponenten und Geräte nur einzeln gestartet und dann im Weltraum zusammengebaut werden, was Außenbordeinsätze der Astronauten erfordert. Zu dieser Art von Aktivitäten gehören die Außenbordeinsätze von Liu Boming und Tang Hongbo, bei denen Aufgaben wie die Montage der entsprechenden Ausrüstung und das Aufstellen der Panoramakamera erledigt wurden.

Die Wartung von Raumfahrzeugen im Orbit ist eine wichtige Aufgabe bei Außenbordaktivitäten. Die Entwicklung und der Start von Satelliten, Raumfahrzeugen und Raumstationen erfordern enorme Investitionen. Sobald sie die Umlaufbahn erreichen, sind sie verschiedenen Sicherheitsrisiken ausgesetzt, beispielsweise Geräte- und Instrumentenausfällen. Manchmal kann ein wenige Zentimeter großes Stück Weltraumschrott ein Raumschiff im Wert von mehreren zehn Millionen zerstören. In vielen Fällen müssen nur wenige Teile ausgetauscht werden, um das Raumfahrzeug wieder zum Laufen zu bringen und seine Funktionsfähigkeit wiederherzustellen.

Chinesische Astronauten verlassen den Weltraum

Während der Ära der US-amerikanischen Space Shuttles mussten Astronauten bei jeder Flugmission Reparatur- und Wartungsarbeiten durchführen. Als das Hubble-Teleskop im Wert von 1,5 Milliarden Dollar 1990 ins All geschossen wurde, verschlechterte sich seine Leistung aufgrund einer Fehlfunktion. Nach sieben Außenbordeinsätzen und fast 50 Stunden Wartung im Orbit gelang es den Astronauten, den Betrieb mit einer längeren Lebensdauer und höherer Präzision fortzusetzen. Der Bau der Internationalen Raumstation begann 1998 mit einer geplanten Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren. Dank der harten Arbeit der Astronauten funktioniert es bis heute reibungslos.

Bemannte Raumflüge sind sehr riskant. Wenn bei einem bemannten Raumfahrzeug im Weltraum eine schwerwiegende Störung auftritt, müssen Astronauten das defekte Raumfahrzeug verlassen und bei einem Weltraumspaziergang in ein anderes Fahrzeug einsteigen oder auf diese Weise andere Astronauten aus dem Weltraum retten. Wenn Menschen in der Zukunft auf dem Mond landen, wird die Mission des Weltraumspaziergangs erheblich ausgeweitet und könnte sogar zu einer normalen Tätigkeit werden, um wichtige Aufgaben wie den Bau von Mondbasen, die Erkundung und Gewinnung von Ressourcen sowie wissenschaftliche Untersuchungen voranzutreiben.

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Weltraumspaziergänge gehören zu den gefährlichsten Aufgaben der Weltraumforschung. Astronauten verlassen den Schutz des Raumschiffs und betreten allein den weiten Weltraum, wo sie mit einer Geschwindigkeit von fast 8 Kilometern pro Sekunde in der Umlaufbahn schweben. Gleichzeitig werden sie den Belastungen der rauen Weltraumumgebung ausgesetzt, beispielsweise Vakuum, starker Strahlung, Schwerelosigkeit und plötzlichem Wechsel von Kälte und Hitze.

Astronauten gehen im Weltraum und bewegen ihre Körper

Wenn Astronauten in einer Vakuumumgebung keinen wirksamen Schutz mehr haben, verlieren sie aufgrund von Sauerstoffmangel innerhalb von 15 Sekunden das Bewusstsein und sterben innerhalb von 30 Sekunden. Ohne atmosphärischen Druck „kochen“ das Blut und die Körperflüssigkeiten wie kochendes Wasser, während sich Haut, Gewebe und Organe nach außen ausdehnen.

Da es im Weltraum keine Barriere durch die Erdatmosphäre und das Erdmagnetfeld gibt, sind Astronauten direkt verschiedenen kosmischen Strahlungen ausgesetzt, darunter Sonnenstrahlen, die bei Sonneneruptionen ausgestoßen werden, galaktische hochenergetische Teilchen und nichtionisierende Strahlung wie Ultraviolett-, Infrarot- und Radiofrequenzstrahlung. Diese Strahlungen können dem menschlichen Körper in unterschiedlichem Ausmaß Schaden zufügen. Werden die Sicherheitsgrenzen überschritten, kann es bei Astronauten zu Strahlenkrankheiten oder sogar zu lebensbedrohlichen Verletzungen kommen.

In der Schwerelosigkeit des Weltraums kommt es bei Astronauten zu Gleichgewichtsstörungen, die zu „Weltraumkrankheit“ wie Schwindel, Übelkeit und Erbrechen führen. Länger anhaltende Schwerelosigkeit führt zu einer vermehrten Ausscheidung anorganischer Salze wie Kalzium, Phosphor und Magnesium im menschlichen Körper, was zu Osteoporose und Muskelschwund führt.

Im Weltraum gibt es keine Luft, die Konvektion verschwindet und die Temperaturschwankungen sind sehr drastisch. Die Raumstation umkreist die Erde in 90 Minuten, wobei sie die Hälfte der Zeit der Sonne ausgesetzt ist und die andere Hälfte von der Erde verdeckt wird. Die Temperatur übersteigt 100 °C, wenn es freiliegt, und sinkt auf -100 °C, wenn es blockiert ist. In dieser extremen Umgebung mit ihren abwechselnden, plötzlichen Temperaturschwankungen sind die mehrstündigen Weltraumspaziergänge der Astronauten sowohl körperlich als auch geistig eine große Belastungsprobe.

Bei einem Weltraumspaziergang müssen sich Astronauten vier verschiedenen Ebenen der Weltraumumgebung stellen und der Außenbord-Raumanzug ist die ultimative Garantie dafür, dass sie diese Tests bestehen.

Der extravehiculare Raumanzug besteht aus Kleidung, Helm, Handschuhen und Raumstiefeln. Am komplexesten ist dabei die Kleidung, die von innen nach außen aus 6 Schichten besteht. Die innerste Schicht besteht aus dem Futter und der Urinsammelvorrichtung, gefolgt von der flüssigkeitsgekühlten Belüftungsschicht zur Wärmeableitung; die dritte und vierte Schicht sind jeweils die druckluftdichte Schicht, die den Druck im Raumanzug aufrechterhält, und die Begrenzungsschicht, die die Ausdehnung der druckluftdichten Schicht nach außen begrenzt; Die fünfte Schicht ist die Wärmeisolationsschicht, um den extremen Temperaturunterschieden außerhalb der Kabine standzuhalten. Die äußerste Schicht ist die Schutzschicht, die aus einer Vielzahl von Faserverbundgeweben mit guter Weichheit, Beständigkeit gegen Eindringen, Verschleiß, hohe Temperaturen, Verbrennung, Korrosion und Strahlung besteht und über weitere Geräteschnittstellen verfügt.

Astronauten in extravehicularen Raumanzügen

Darüber hinaus verfügt der extravehiculare Raumanzug über ein unabhängiges Lebenserhaltungssystem in Rucksackform, ein Gas-, Flüssigkeits- und Stromversorgungssystem, Mess- und Steuerungs- sowie Kommunikationsgeräte und kann als äußerst kleines Raumfahrzeug bezeichnet werden.

Der extravehiculare Raumanzug „Feitian“ meines Landes wiegt mehr als 100 Kilogramm und verwendet ein vollständig digitales elektronisches Steuerungssystem. Es kann Astronauten bei langfristigen Außenbordeinsätzen unterstützen und mehrfach wiederverwenden. Es weist eine hohe Gesamteffizienz auf und ist zuverlässiger und komfortabler, sodass es den zuverlässigsten Schutz für Weltraumspaziergänge von Astronauten bietet.

Welche Vorbereitungen müssen Astronauten vor einem Weltraumspaziergang treffen ?

Auch die Vorbereitungen für den Außenbordeinsatz vor einem Weltraumspaziergang sind sehr kompliziert. Astronauten müssen Hunderte von Geräten bedienen, was hohe Anforderungen an Fachwissen und Bedienfähigkeiten stellt. Astronauten müssen die Form, den Standort, die Funktionsweise, die Bedienungsanleitungen und die damit verbundenen Aktionen aller Geräte kennen. Sie müssen sich viele Tage vor dem Verlassen der Kabine und mehrere Stunden am Tag der Abreise vorbereiten.

Bei Außenbordaktivitäten zogen die beiden Astronauten zunächst ihre Außenbordanzüge an, führten eine Systemprüfung der Anzüge und des Andocksystems an den Bordanzug durch und „bohrten“ dann in die Anzüge hinein, um die Größe anzupassen, die Luftdichtheit zu prüfen und einen vollständigen Leistungstest durchzuführen, um sicherzustellen, dass alles normal war. Während des Anziehens arbeiteten die beiden Astronauten zusammen. Einer bediente, während der andere zur Bestätigung die Bedienungsanleitung las und sicherstellte, dass alle Schritte kinderleicht waren.

Vorbereitung vor dem Verlassen der Kabine

Der zweite Schritt besteht darin, ein Training im Orbit durchzuführen. Nach dem Anlegen des Außenbordanzugs müssen Astronauten Bewegungen und verschiedene simulierte Operationen durchführen, um die Eigenschaften der Bewegung und Operation im Zustand der Schwerelosigkeit zu erleben. Obwohl es auf der Erde neutrale Auftriebstanks gibt, die ein Training in der Schwerelosigkeit ermöglichen, besteht zwischen diesem und der realen Weltraumumgebung immer noch eine große Lücke. Gleichzeitig müssen Astronauten die richtige Position zum Öffnen der Luke und den Drehpunkt für ihre Hände und Füße finden. Während des Trainings im Orbit müssen die Astronauten die gesamten Vorbereitungen für den Aufenthalt im Orbit und die Außenbordaktivitäten wiederholen, um sich mit den Verfahren für den Außenbordeinsatz vertraut zu machen. Der Umfang der Übungen sollte jedoch nicht zu groß sein, um einer Weltraumkrankheit vorzubeugen. Nach Abschluss dieser Aufgaben werden sich die Astronauten eine Zeit lang ausruhen.

Der letzte Schritt ist das Passieren des Tores und das Öffnen der Tür. Astronauten betreten und verlassen die Raumstation durch die Luftschleuse, die über zwei Türen verfügt: eine innere Tür, die mit der bemannten Kabine verbunden ist, und eine äußere Tür, die in den Weltraum führt. Nachdem die Astronauten die Luftschleuse betreten haben, schließen sie die innere Kabinentür, setzen den Außenbordanzug unter Druck und atmen gleichzeitig Sauerstoff ein und stoßen Stickstoff aus, um eine Dekompressionskrankheit zu vermeiden. Der Druck in der Schleusenkabine wird langsam auf 3 kPa gesenkt, der kombinierte Gas-Flüssigkeits-Anschluss des Außenbordanzugs wird vom Raumfahrzeug getrennt und der Anzug schaltet auf völlig autonome Sauerstoffversorgung und Kühlung um.

Wenn der Luftdruck auf etwa 1 kPa abfällt, kann die Außentür geöffnet werden. Beim Öffnen der Tür entriegeln Sie diese zunächst, warten Sie, bis der Druck innerhalb und außerhalb der Kabine ausgeglichen ist, und öffnen Sie dann die Tür vollständig. Vor dem Verlassen der Kabine müssen Astronauten die Kabinentür mit einer Schutzhülle abdecken, um Kratzer beim Betreten und Verlassen der Kabine zu vermeiden. Bei diesem Vorgang müssen die Astronauten stets eine Hand zur Stabilisierung ihres Körpers nutzen und alle Bewegungen einhändig ausführen.

Nach mehreren Stunden Vorbereitung öffneten die Astronauten erfolgreich die Außenkabinentür und begannen offiziell mit den Außenbordaktivitäten.

Warum ist ein Weltraumspaziergang nicht einfach freies Reisen im Weltraum?

Wenn Astronauten die Kabine verlassen, um einen Weltraumspaziergang durchzuführen, unterliegen sie strikt den Gesetzen der Physik. Dies ist eine äußerst gefährliche Arbeit. Wenn sie nicht aufpassen, werden sie von der Raumstation ins All geschleudert. Es muss ein vollständiger Satz von Maßnahmen und technischen Spezifikationen befolgt werden.

Berechnungen in- und ausländischer Experten sowie den Erfahrungen der Internationalen Raumstation zufolge werden die Astronauten nach dem Verlassen der Kabine mehrere unterschiedliche relative Bewegungsbahnen zur Raumstation (bezogen auf den Abflugort) einhalten, und die Bewegungsbahnen der Astronauten sind im Allgemeinen elliptisch. Die Kraft und der Winkel, mit denen die Astronauten die Kabine verlassen, beeinflussen ihre Umlaufbahn während des „Weltraumflugs“. Wenn Kraft und Winkel leicht abweichen, fallen sie in den Raum. Daher müssen Astronauten über umfangreiche physikalische Kenntnisse verfügen und tausende Trainingseinheiten absolvieren, bevor sie Weltraumspaziergänge durchführen können.

Bei der Durchführung von Außenbordeinsätzen müssen Astronauten ihre Sicherheitsseile befestigen. Da Astronauten sich in einem Zustand der Schwerelosigkeit befinden und nicht mit den Füßen gehen können, müssen sie ihren Körper mit den Händen, Roboterarmen oder bemannten Manövriergeräten bewegen. Um die Fortbewegung der Astronauten zu erleichtern, sind außerhalb der Kabine der Raumstation spezielle Handläufe angebracht, damit die Astronauten ihren Körper wie beim Klettern bewegen können, was gute Arm- und Körperkraft erfordert.

Wenn zwei Astronauten die Kabine verlassen, bewegt sich normalerweise einer auf herkömmliche Weise, indem er sich auf die Handläufe außerhalb der Raumstation verlässt, während sich der andere mit Hilfe eines Roboterarms fortbewegt. Gleichzeitig arbeiteten die Subsysteme des Bodenmess- und Kontrollzentrums eng zusammen, um Kommunikationsverbindungen über die Tianlian-Satellitenreihe herzustellen und Hochgeschwindigkeits-Sprach- und Bildrelaisdienste für die Echtzeitbeobachtung des Status der Astronauten außerhalb des Raumfahrzeugs am Boden sowie für den Dialog und die Kommunikation zwischen den Astronauten und der Erde bereitzustellen.

Um die Sicherheit der Weltraumspaziergänge der Astronauten zu gewährleisten, muss der beste Zeitpunkt für Außenbordaktivitäten gewählt werden, das sogenannte Außenbordfenster. Bei der Wahl des Zeitpunkts ist die Sicherheit von Mensch und Gerät zu berücksichtigen und der Aufenthalt sollte möglichst an einem sonnigen Ort erfolgen. Wenn die Raumstation in einer niedrigen Erdumlaufbahn betrieben wird, überquert sie die Südatlantische Anomalie viele Male. Die anormale Strahlung in diesem Bereich beeinträchtigt elektronische Geräte und Instrumente und ist zudem sehr schädlich für den menschlichen Körper. Daher müssen Außenbordeinsätze so geplant werden, dass dieses Gebiet gemieden wird.

Welche Art von Training absolvieren Astronauten, um im Weltraum „ein paar Schritte zu machen“?

Um die Außenbordmission erfolgreich abzuschließen, müssen die Astronauten auch Schulungen zu Außenbordaktivitäten und Außenbordwartung absolvieren. Hierzu gehören sowohl reguläre Trainingsprogramme wie theoretische Grundlagen, körperliches Training, psychologisches Training, berufliches und technisches Training als auch anspruchsvolle Trainingsprogramme, die an die physiologischen Grenzen gehen, wie etwa Training für Außenbordverfahren, Training in der Schwerelosigkeit, Training in der Niederdruckkabine und Training für Außenbordmissionen.

Das EVA-Training ist das wichtigste und umfassendste Trainingsprogramm im EVA-Training der Astronauten. Es basiert auf der Aneignung theoretischer Kenntnisse und fachlicher Fähigkeiten der Astronauten und wird in einer speziellen Ausrüstung durchgeführt – einem EVA-Simulator mit Luftschleuse. Astronauten tragen Trainings-Raumanzüge für den Außenbordeinsatz, um den Ablauf und die Betriebseigenschaften des Außenbordeinsatzes zu simulieren.

Für Außenbordeinsätze gibt es zahlreiche Trainingsinhalte, die grundsätzlich die gesamten Arbeitsabläufe von der Vorbereitung auf Außenbordeinsätze bis hin zur Rückkehr nach Beendigung des Außenbordeinsatzes und dem Anlegen der Außenbordanzüge abdecken. Hierzu gehören das Öffnen und Schließen von Innen- und Außentüren, das Überprüfen von Raumanzügen und Luftschleusen, das Spülen von Raumanzügen mit Sauerstoff hoher Durchflussrate, das Einatmen von Sauerstoff und das Ausstoßen von Stickstoff, das Anziehen von Raumanzügen, das Druckentlasten und Wiederauffüllen von Luftschleusen und andere Trainingsaufgaben.

Zu den Außenbordaktivitäten von Astronauten zählen hauptsächlich Wartung, Fehlersuche, Montage von Raumstationen, Einsatz und Bergung von Raumfahrzeugen usw., die von den Astronauten im Zustand der Schwerelosigkeit eine sehr hohe Arbeitsfähigkeit und Betriebsgenauigkeit erfordern.

Der Großteil dieses Trainings wird in einem simulierten Schwerelosigkeitswassertank durchgeführt. Der simulierte Schwerelosigkeitswassertank besteht aus einem Tankkörper, einem Wasseraufbereitungssystem, einem Überwachungssystem für menschliche physiologische Parameter, einem Hochdruckgasquellensystem sowie lebensrettender und medizinischer Rettungsausrüstung. Die Wasserqualität muss den Trinkwasserstandards entsprechen. Die Wassertiefe beträgt 10 bis 15 Meter und es gibt eine Luftschleusenkabine einer Raumstation in der gleichen Größe wie die echte.

Während des Trainings betreten Astronauten das Wasser in Trainingsanzügen für Außenbordfahrzeuge. Durch die Anpassung der Gewichte und Schwimmkörper an den Anzügen werden Auftrieb und Schwerkraft im Wasser angeglichen, sodass die Astronauten im Wasser schweben können. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die Astronauten in einem Zustand der Schwerelosigkeit, der dem Gefühl der Schwerelosigkeit im Weltraum sehr ähnlich ist. Durch viel wiederholtes Training können sie die Bewegungsgesetze im Schwerelosigkeitszustand sowie die Methoden und Techniken der Weltraumoperationen beherrschen.

Astronauten führen Unterwassertraining durch

Allerdings kann mit dieser Methode die Schwerelosigkeit nicht vollständig wiederhergestellt werden. Einerseits finden die physiologischen Reaktionen des menschlichen Körpers noch immer in einer Umgebung der Schwerkraft statt. Andererseits ist der Widerstand des Wassers bei Unterwasserbewegungen ein ganz anderer als im schwerelosen Zustand. Daher müssen Astronauten nach dem Betreten des Weltraums ein adaptives Training absolvieren.

Das Training in Vakuum- und Niederdruckumgebungen wird in einer Niederdruckkabine einer speziellen Testausrüstung durchgeführt. Die Niederdruckkabine kann mit Ausnahme der Schwerelosigkeit die meisten Weltraumumgebungen simulieren, darunter Vakuum, Niederdruck, Kälte, Hitze und Strahlungsumgebungen. Astronauten können in einem Zustand trainieren, der einem tatsächlichen Kampf nahekommt, und die Vorgänge des Atmens von Sauerstoff und Stickstoff, des Spülens des Außenbordanzugs mit Sauerstoff sowie des Druckentlastens und -aufbaus in der Luftschleuse wirklich erleben. Sie können außerdem Außenbordanzüge in einer relativ realistischen Umgebung tragen, um Betriebstrainings und Schulungen zur Fehlerbehandlung durchzuführen, wie etwa zu Stromausfällen im Raumanzug, Belüftungsausfällen, Temperaturregelungsausfällen, Leckagen im Raumanzug und Belüftung, Temperaturregelung, Instrumentenüberwachung usw. im Außenbordanzug.