Simulation bemannter Missionen auf der Erde

Bei der Vorbereitung bemannter Missionen spielen Simulationen der Missionsbedingungen und -Aktivitäten jedes einzelnen an der Missions Beteiligten vor Beginn der eigentlichen Mission und unter möglichst wirklichkeitsnahen Bedingungen eine ausschlaggebende Rolle. Ein bekanntes Beispiel ist die Simulation von Aktivitäten im freien Weltraum in riesigen Wasserbecken zur Simulation der Schwerelosigkeit.

Auf die seit Beginn der Raumfahrt üblichen Umweltsimulationstests an Trägern und Einrichtungen wird hier nicht eingegangen.

Simulationen für bemannte Systeme sollen bis ins kleinste Detail alle während der Mission auftretenden Betriebsarten, Arbeitsabläufe, Arbeitsbedingungen und Gegebenheiten der speziellen Mission nachbilden. Sie dienen nicht etwa nur dem Nachstellen der Mission, sondern sollen auch frühzeitig Hinweise ergeben zur richtigen Auslegung des gesamten Raumfahrtsystems.

Ein bemanntes Raumfahrtsystem besteht aus einer Reihe von Elementen, die alle eine bestimmte Funktion haben. Einige davon sind ähnlich wie bei unbemannten Missionen:

1. die Raumfahrzeuge, die Ausrüstung und (bei bemannten Systemen) Mannschaft zum und vom Ziel transportieren
2. die am Ziel (Mond, Mars,...) für die Forschungsaufgaben erforderlichen Voraussetzungen für das Erreichen der wissenschaftlichen Zielsetzungen der Mission
3. die Bodeneinrichtungen zur Kontrolle der Mission (Kontrollzentren, Sende- und Empfangseinrichtungen)
4. das Bodenpersonal, das zur Vorbereitung und Begleitung der Mission benötigt wird
5. operationelle Prozeduren, die jeden Schritt einer Mission genau festlegen
6. Arbeits- und Reparaturanweisungen für den Fall von Störungen oder unvorhergesehenen Vorkommnissen
   
   Für bemannte Missionen kommen aber noch weitere die Mannschaft betreffende Elemente dazu:

1. Trainingseinrichtungen am Boden und während der Mission
2. die Mannschaft selbst und deren Auswahl
3. die Sicherheit der Mannschaft.
4. die am Ziel (Mond, Mars,...) für die Forschungsaufgaben erforderlichen Infrastrukturen für das tägliche Leben, den Transport und die wissenschaftliche Arbeit die am Ziel (Mond, Mars,...)
5. eine genaue Planung und Überwachung aller Aktivitäten der Mannschaft während der gesamten Mission
6. die Erfordernisse und Abläufe des täglichen Lebens während der Mission
7. die Überwachung und Steuerung der Interaktionen zwischen den Mannschaftsmitgliedern während der Mission („Faktor Mensch“)

Alle oben aufgeführten Elemente eines bemannten Raumfahrtsystems müssen während der gesamten Missionsdauer den Erfordernissen der geplanten Mission entsprechend miteinander funktionieren, also auch entsprechend am Boden im Zusammenspiel simuliert werden.

Die Aufzählung der zu berücksichtigenden Systemelemente zeigt, dass mehr als die Hälfte der aufgeführten Systemelemente (7 bis 13) sich auf die Mannschaft bezieht. Das macht deutlich, weshalb bemannte Systeme so viel komplexer und umfangreicher sind als unbemannte. Bemannte System müssen nämlich eine Reihe von Anforderungen erfüllen, die für unbemannte gar nicht oder in geringerem Umfang anwendbar sind, aber den technischen Aufwand für eine bemannte Mission weitgehend bestimmen. Wesentliche zu berücksichtigende Gegebenheiten sind:

1.    Ein bemanntes Raumfahrzeug ist technisch ungleich komplexer durch die Anforderungen an die Sicherstellung einer den Bedingungen auf der Erde vergleichbaren Lebensumgebung:

• die Bereitstellung der Atemluft in einem relativ kleinen geschlossenen System
• deren ständige Aufbereitung
• Einhaltung einer konstanten Temperatur und Luftfeuchtigkeit
• erträgliche Lärmbelastung
• Wohn- und Schlafmöglichkeiten
• Ernährung
• Hygiene
• Zerstreuungsmöglichkeiten
• Trainingsmöglichkeiten zum Erhalten der körperlichen Fitness unter Schwerelosigkeit
• medizinische Vorsorge und Versorgung

2.     Die Zuverlässigkeitsstandards und Methoden der unbemannten Raumfahrt reichen für bemannte Systeme nicht aus. Deshalb wurden im Verlauf der bemannten Programme hierfür spezielle eigene Kriterien, Anforderungen, Tests und Simulationen entwickelt, die den technischen Aufwand des Systems gegenüber unbemannten Raumfahrzeugen erhöhen. Dabei wird folgender Ansatz verfolgt, der auch für Mond- und Marsmissionen Gültigkeit behalten wird:

• in sehr umfangreichen Analysen des gesamten Systems werden alle infrage kommenden Störfälle bestimmt, die den Menschen gefährden könnten
• dabei wird zwischen verschiedenen Gefährdungsgraden unterschieden, etwa von „unangenehm, aber relativ harmlos“ bis zu „Totalverlust der Mannschaft“ in mehreren Abstufungen
• entsprechend dieser Klassifizierung muss dann jeder einzelne gefundene mögliche Störfall in der Wahrscheinlichkeit seines Auftretens bewertet und dann durch zusätzliche technische Maßnahmen je nach Gefährdungsgrad beseitigt beziehungsweise auf eine vorgegebene sehr niedrige Wahrscheinlichkeit seines Eintretens reduziert werden
• unter anderem müssen gegebenenfalls Systeme oder Komponenten, deren Ausfall den Verlust der Mannschaft bedeutete, dreifach redundant ausgeführt werden. Es müssen auch mögliche Bedienfehler berücksichtigt werden. Wiederum muss hier jede einzelne im Betrieb auftretende Funktion bestimmt und auf ihre Auswirkungen auf die Sicherheit hin untersucht werden.

Übrigens müssen auch unbemannte Fahrzeuge Sicherheitsvorgaben der bemannten Raumfahrt erfüllen, die mit bemannten in Berührung kommen, also zum Beispiel auch das ATV !

Für bemannte Träger ist es aus Gewichtsgründen unmöglich, mehrfache Redundanzen des Antriebs und der Landesysteme vorzusehen. Deshalb müssen dort Redundanzen durch entsprechend sichere Rettungssysteme für die Mannschaft ersetzt werden. Auch das ist kann aber nicht für die gesamte Flugphase sichergestellt werden. Die CHALLENGER und COLUMBIA Unfälle führten zum Verlust der Mannschaft, weil in diesen Flugphasen eine Rettung nicht möglich bzw. mit einem untragbar hohen Aufwand verbunden gewesen wäre.

Schließlich erhöhen sicherheitsrelevante Tests und Simulationen den gesamten Testaufwand für bemannte Systeme erheblich.

3.      Auswahl und Training der Astronauten

4.      die dazugehörigen Einrichtungen, die   wiederum getestet werden müssen vor ihrer Nutzung.