Auch Astronauten müssen bei Missionen außerhalb der Kabine aus dem Fenster schauen

Am 17. September führte die Astronautenbesatzung Shenzhou 14 ihren zweiten Außenbordeinsatz durch. Die Astronauten Chen Dong, Liu Yang und Cai Xuzhe arbeiteten eng zusammen und schlossen den etwa fünfstündigen Außenbordeinsatz erfolgreich ab. Während dieser Zeit führten sie Aufgaben wie die Installation von Servolenkungsgriffen für den Außenbordeinsatz, die Installation von Lastkreis-Expansionspumpengruppen und die Überprüfung der Rettung aus dem Außenbordeinsatz durch. Die wenigsten Menschen wissen, dass die Umgebung im Weltraum extrem rau ist. Um die Sicherheit der Astronauten und den erfolgreichen Abschluss der Mission zu gewährleisten, müssen bei Außenbordaktivitäten auch der Zeitpunkt und das Zeitfenster berücksichtigt werden.

Die Astronautenbesatzung Shenzhou 14 führt die zweite Außenbordaktivität durch

Sicherheit geht vor: Schutz vor Strahlung und Trümmern

Die Weltraumumgebung ist extrem rau. Unter Sonneneinstrahlung beträgt die Temperatur über 120 Grad Celsius, während die Temperatur im Schattenbereich unter minus 100 Grad Celsius liegt. Darüber hinaus besteht eine Bedrohung durch verschiedene Weltraumstrahlungen. Außenbordaktivitäten von Astronauten sind sehr riskant. Bei der Wahl des Zeitfensters für Außenbordaktivitäten müssen zunächst die Auswirkungen der Weltraumstrahlung auf die körperliche Gesundheit der Astronauten berücksichtigt werden.

Obwohl das Erdmagnetfeld und die Van-Allen-Strahlungsgürtel den Großteil der hochenergetischen Strahlung blockieren, ist die Verteilung des Erdmagnetfelds nicht gleichmäßig. Überall auf der Welt gibt es Zonen mit magnetischen Anomalien. Die größten davon befinden sich im Südatlantik und im Süden Brasiliens, wo die Magnetfeldstärke viel schwächer ist als in anderen Teilen der Welt.

Oberhalb der Zone der negativen geomagnetischen Anomalie im Südpazifik liegt der innere Strahlungsgürtel des Van-Allen-Gürtels sehr niedrig und reicht bis in eine Tiefe von etwa 200 Kilometern. Dies führt dazu, dass Raumfahrzeuge in niedrigen Umlaufbahnen über diesem Gebiet einer höheren energiereichen Strahlung ausgesetzt sind. Daher wird dieses Gebiet als südatlantische Strahlungsanomaliezone bezeichnet.

Bevor Astronauten der Internationalen Raumstation und der Raumstation meines Landes derzeit das Raumschiff verlassen, berücksichtigen sie zunächst die Auswirkungen der Strahlungsanomaliezone im Südatlantik auf ihren Körper. Sie versuchen, die Zeit, die sie während Außenbordeinsätzen in der Strahlungsanomaliezone des Südatlantiks verbringen, zu minimieren. Daher wird das Bodenpersonal die Astronauten anhand der Gesamtmenge an Strahlung beurteilen, der sie während ihrer Außenbordaktivitäten ausgesetzt sind, und den Zeitraum des Außenbordeinsatzes rational planen.

Darüber hinaus können geomagnetische Stürme, die durch starke Sonneneruptionen verursacht werden, auch Veränderungen in den Van-Allen-Strahlungsgürteln verursachen. Die von der Sonne ausgestoßenen hochenergetischen Protonen können tief in das Magnetfeld der Erde eindringen und bei Astronauten schwere Strahlenschäden verursachen. Daher müssen Astronauten das Zeitfenster auf Grundlage von Prognosen zur Weltraumumgebung auswählen, die Faktoren der Weltraumumgebung umfassend berücksichtigen und beim Verlassen der Kabine die Strahlenschutzfunktionen von Raumanzügen für den Außenbordeinsatz nutzen.

Darüber hinaus führt die Zunahme menschlicher Weltraumaktivitäten dazu, dass sich immer mehr Weltraummüll in der Erdumlaufbahn befindet. Neben natürlichen Mikrometeoriten müssen Astronauten beim Verlassen des Raumschiffs auch darauf achten, diesen ungebetenen Gästen aus dem Weltall auszuweichen. Daher wird das Bodenkontrollzentrum Kollisionsvorhersagen auf Grundlage der vom Weltraumüberwachungsnetzwerk überwachten Daten zum Orbitalziel und der Orbitalparameter der Raumstation treffen und einen Zeitraum auswählen, in dem keine Kollisionswarnung ausgegeben wird, damit die Astronauten die Kabine verlassen und ihre Mission durchführen können.

Stromversorgung und Sonneneinstrahlungswinkel sind wichtig

Derzeit wird der von bemannten Raumfahrzeugen und Raumstationen benötigte Strom durch Solarmodule gewonnen. Der Sonnenhöhenwinkel ändert sich ständig, abhängig von der Umlaufbahnhöhe, der Neigung und der Sonnenbewegung. Die Solarmodule mit begrenztem Drehbereich führen aufgrund der Begrenzung des Sonneneinfallswinkels zu einer instabilen Stromversorgung, was auch ein wichtiger Faktor ist, der Astronauten daran hindert, die Kabine zu verlassen.

Im Jahr 2008 wurde das bemannte Raumschiff Shenzhou VII meines Landes am 25. September gestartet und nicht im Oktober wie Shenzhou V und Shenzhou VI. Ein wichtiger Grund hierfür war, dass nach dem Start des Raumfahrzeugs in die Umlaufbahn Ende September desselben Jahres der Winkel zwischen den auf dem Raumfahrzeug installierten Solarmodulen und der Sonne für die Astronauten günstiger war, um die Kabine zu verlassen.

Die Solarmodule der Raumsonde Shenzhou können sich nur in begrenztem Freiheitsgrad drehen, während die in verschiedenen Modulen der chinesischen Raumstation installierten Solarmodule wesentlich flexibler sind. Trotzdem wurden während des Flugs des Tianhe-Kernmoduls die Solarmodule aus Sicherheitsgründen für die Außenbordbewegungsbahn des großen Roboterarms während der Außenbordaktivitäten der Astronauten in einen vertikalen Nullzustand versetzt, was bedeutet, dass sich die Solarmodule nicht mehr täglich drehen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Einfallswinkel der Sonne die Stromerzeugungskapazität der Photovoltaikzellen stark einschränken. Die Raumstation kann nur innerhalb des entsprechenden Bereichs der Sonneneinfallswinkel eine ausreichende Stromversorgung gewährleisten, was die Außenbordaktivitäten der Astronauten begrenzt und einschränkt.

Die Außenbordaktivitäten der Astronauten auf der Internationalen Raumstation werden grundsätzlich nicht durch den Einfallswinkel des Sonnenlichts auf die Solarmodule beeinflusst. Dies bedeutet nicht, dass die Konstruktion der Internationalen Raumstation so fortschrittlich ist, sondern dass die Raumstation entweder über viele Module und Solarpanele in unterschiedlichen Winkeln verfügt oder dass die großen Solarpanele mit zwei Freiheitsgraden weit von den unter Druck stehenden Modulen entfernt sind und daher von Außenbordaktivitäten weniger beeinträchtigt werden.

Nachdem nun das Kernmodul Tianhe und das Labormodul Wentian der chinesischen Raumstation im Orbit angedockt waren (siehe die zweite Außenbordaktivität der Mission „Shenzhou 14“), mussten die Solarmodule des Kernmoduls, da die Astronauten nur den kleinen Roboterarm des Labormoduls Wentian nutzten, die Bewegungseinschränkungen des großen Roboterarms nicht berücksichtigen und konnten sich normal mit der Sonne drehen, wodurch die Stromversorgung des Kernmoduls sichergestellt wurde.

Die Astronautencrew von Shenzhou 14 führte ihren zweiten Außenbordeinsatz durch

Um jedoch die Sicherheit des Bewegungspfads des kleinen Roboterarms zu gewährleisten und zu verhindern, dass dieser die Relaisantenne für die Satellitenkommunikation blockiert, wurden die Solarmodule der Wentian-Laborkabine horizontal auf Null eingestellt und rotierten nicht mit der Sonne, was auch die Stromversorgung der Wentian-Laborkabine einschränkte.

Nachdem das Mengtian-Labormodul in diesem Jahr in die Umlaufbahn gebracht und an die beiden anderen Module angedockt wurde, wird die Stromversorgung der drei Module der chinesischen Raumstation an das Stromnetz angeschlossen und die Fenster, durch die die Astronauten die Kabine verlassen können, werden nicht länger durch die Stromversorgung eingeschränkt.

Die Kommunikation zwischen Weltraum und Boden ist für die Unterstützung von Außenbordfahrzeugen von entscheidender Bedeutung

Um die Telemetrie und Kommunikation bemannter Raumfahrzeuge sicherzustellen, haben die größten Weltraummächte der Welt umfassende Telemetrie- und Kommunikationsnetze am Boden eingerichtet. Durch die Einführung moderner Ortungs- und Datenrelaissatelliten sind die Mess- und Steuerungssysteme nicht mehr an geografische Beschränkungen gebunden und die orbitale Abdeckung ist erheblich erweitert worden.

Derzeit liegt die Abdeckung des bemannten Weltraumverfolgungs- und -kontrollnetzwerks der USA in der erdnahen Umlaufbahn bei über 85 %, und die Abdeckung des bemannten Weltraumverfolgungs- und -kontrollnetzwerks meines Landes ist sogar noch höher. Allerdings wird die Boden-Boden-Kommunikation immer noch durch verschiedene Unwetterbedingungen beeinträchtigt. Beispielsweise haben starke Regenfälle einen starken Einfluss auf die durch Regen verursachte Signaldämpfung.

Da Astronauten während ihrer Außenbordeinsätze Videobilder und Ton in Echtzeit übertragen und jeder Außenbordeinsatz mehrere Stunden dauern kann, sind Relaissatelliten die Hauptkraft für Mess- und Steuerungsmöglichkeiten sowie für die Kommunikationsunterstützung. Bei Unwettern wie beispielsweise starkem Regen kann es zu Störungen bei der Ton- und Bildübertragung der Boden-Weltraum-Kommunikation kommen, sodass die Außenbordaktivitäten der Astronauten nicht mehr wirksam unterstützt werden können. Daher ist auch das Bodenwetter ein wichtiger Faktor, der die Wahl des Zeitpunkts für das Verlassen des Raumschiffs durch die Astronauten beeinflusst.

Außenbordeinsätze sind riskant und erfordern sorgfältige Vorbereitungen und Unterstützungsarbeiten zwischen dem Boden und der Raumstation. Für Astronauten wechseln sich außerhalb der Raumstation Tag und Nacht etwa alle 90 Minuten ab. Unter Berücksichtigung der Arbeits- und Ruhezeiten von Astronauten und Bodenpersonal wird jedoch weiterhin das zwischen Himmel und Erde synchronisierte Arbeits- und Ruhesystem angewendet.

Auf diese Weise werden die Außenbordeinsätze der Astronauten unter Berücksichtigung der normalen Arbeitszeiten und der körperlichen Verfassung des Bodenpersonals so weit wie möglich auf den Tag verteilt, um sicherzustellen, dass das Bodenpersonal die Astronauten bei der Durchführung ihrer Außenbordeinsätze in bester Verfassung unterstützen kann.

Darüber hinaus gibt es in der Erdumlaufbahn keine Schwerkraft, und obwohl es für Astronauten einfach erscheint, die Kabine zu verlassen, handelt es sich dabei tatsächlich um eine Arbeit, die viel körperliche Kraft und Energie verbraucht. Ihr körperlicher Zustand ist ebenfalls ein Faktor, der das Zeitfenster für das Verlassen der Kabine durch die Astronauten einschränkt. Nur wenn sich die Astronauten in der besten körperlichen Verfassung befinden, werden sie für die Durchführung und Umsetzung von Außenbordeinsätzen eingeteilt. (Autor: Zhang Xuesong)