宇宙飛行士の訓練

宇宙飛行士の訓練とは、飛行前、飛行中、飛行後に世界各地の宇宙飛行士を宇宙ミッションに備えるための複雑なプロセスを指します。これには、医療検査、 ^[2]身体訓練、^[3] 船外活動（EVA）訓練、荒野サバイバル訓練、水中サバイバル訓練、ロボット工学訓練、手順訓練、リハビリテーションプロセス、^[4]および宇宙滞在中に行う実験の訓練が含まれます。

宇宙飛行士が飛行の全段階で遭遇する状況に慣れ、微小重力環境に備えるために、仮想訓練施設と物理訓練施設が統合されています。^[5]安全で成功するミッションを確実にするために、訓練中に特別な配慮を行う必要があります。そのため、アポロ宇宙飛行士は月面の地質学フィールドワークの訓練を受け、火星旅行などの将来の長期ミッションのベストプラクティスに関する研究が行われています。

宇宙飛行士の選抜と訓練は、乗組員が宇宙ミッションに適格であることを保証するための統合されたプロセスです。^[6]訓練は、宇宙飛行士を一般的な側面と特定の側面から訓練するための5つの目的に分類されます。基礎訓練、上級訓練、ミッション固有の訓練、機内訓練、および熟練度維持訓練です。^[7]訓練生は基礎訓練中に、医学、言語、ロボット工学と操縦、宇宙システム工学、宇宙システムの構成、および航空宇宙工学の頭字語を学ばなければなりません。宇宙飛行士の60％から80％は、顔面蒼白、冷や汗、嘔吐、食欲不振などの宇宙酔いを経験しますが、^[8]宇宙飛行士候補者は酔いを克服することが期待されています。上級訓練とミッション固有の訓練中に、宇宙飛行士は宇宙ミッションで割り当てられた役割に関連して必要な特定のシステムの操作とスキルについて学びます。^[7]ミッション期間の前、最中、そして後に宇宙飛行士の幸福、心身の健康を確保することは重要です。熟練度の維持は、船外活動、ロボット工学、言語、潜水、飛行訓練などのトピックを含む乗組員の最低限のパフォーマンスレベルを維持するのを支援することを目的としています。^[7]

打ち上げと着陸の影響は宇宙飛行士にさまざまな影響を及ぼしますが、最も重大な影響としては宇宙酔い、^[8] 起立性不耐性、心血管イベントなどがあります。

宇宙酔いは、変化する重力環境（打ち上げ前の地球の 1G から打ち上げ中の 1G 超、そして宇宙の微小重力から再突入時の過重力、そして着陸後の 1G まで）に数分以内に発生する可能性のある症状です。症状は、眠気や頭痛から吐き気や嘔吐まで多岐にわたります。宇宙酔いには、一般的に 3 つのカテゴリがあります。

• 軽度: 一時的な症状が 1 ～ 数件発生し、業務に影響はありません。
• 中程度: 持続的な症状がいくつかあり、運用上の影響は最小限
• 重度: 持続的な症状がいくつかあり、パフォーマンスに重大な影響を与える

宇宙飛行士の約 4 分の 3 が宇宙酔いを経験しますが、その影響が 2 日を超えることはほとんどありません。飛行後の乗り物酔いのリスクはありますが、これは長期間の宇宙ミッションの後にのみ顕著になります。

飛行後、微小重力にさらされると、体の姿勢を感知し、適切なバランスを保つ役割を果たす小さな石灰質の凝結物である耳石が微小重力によって無反応になるため、内耳にある前庭系が乱れます。ほとんどの場合、これにより飛行後の姿勢錯覚が生じます。

心血管イベントは、宇宙ミッションの 3 つのフェーズにおいて重要な要素です。心血管イベントは次のように分類できます。

• 既存の心血管疾患: これらは通常、宇宙飛行士の選抜時に除外されますが、宇宙飛行士に既存の心血管疾患がある場合、宇宙飛行中に悪化する可能性があります。
• 宇宙飛行中に起こる心血管イベントと変化: これらは、微小重力環境における体液の移動と再分配、心拍リズムの乱れ、最大運動能力の低下が原因です。これらの影響により、乗組員は重力環境に戻ったときに深刻な無力状態になり、支援なしでは宇宙船から脱出できなくなる可能性があります。
• 飛行後の起立テスト中に失神につながる起立性不耐性。

宇宙飛行士は、打ち上げ時の状況や宇宙の過酷な環境に備えるための訓練を受けます。この訓練は、宇宙船の運用に関連するイベント（内部イベント）と宇宙環境に関連するイベント（外部イベント）という2つの大まかなカテゴリに分類されるイベントに乗組員を準備することを目的としています。

訓練中、宇宙飛行士は宇宙船の推進、宇宙船の熱制御、生命維持システムなどの宇宙船の工学システムに慣れます。これに加えて、宇宙飛行士は軌道力学、科学実験、地球観測、天文学の訓練も受けます。この訓練は、宇宙飛行士が複数のシステムに遭遇するミッション（国際宇宙ステーション（ISS）など）では特に重要です。訓練は、宇宙飛行士自身の健康、乗組員の健康、またはミッションの成功に危険をもたらす可能性のあるイベントに備えるために行われます。これらのタイプのイベントには、重要な生命維持システムの故障、カプセルの減圧、火災、その他の生命を脅かすイベントなどがあります。危険なイベントに備える必要があることに加えて、宇宙飛行士はミッションを成功裏に完了するための訓練も必要になります。これは、船外活動、科学実験、または宇宙船の操縦の訓練の形をとる場合があります。

外部イベントは、より広義には、宇宙の極限環境で生活し、働く能力を指します。これには、微小重力（または無重力）、孤立、閉じ込め、および放射線への適応が含まれます。微小重力での生活と作業に関連する困難には、空間識失調、乗り物酔い、めまいなどがあります。長期ミッション中、宇宙飛行士は孤立と閉じ込めを経験することがよくあります。これは宇宙飛行士の乗組員のパフォーマンスを制限することが知られており、そのため、訓練は宇宙飛行士をそのような課題に備えさせることを目的としています。^[9]乗組員に対する放射線の長期的な影響はまだほとんどわかっていません。しかし、火星への旅行中の宇宙飛行士は、地球上の一般的な人の1000倍以上の放射線量を受ける可能性が高いと理論付けられています。^[10]そのため、現在および将来の訓練には、宇宙飛行士を放射線から保護するためのシステムとプロセスを組み込む必要があります。

科学実験は歴史的に有人宇宙飛行の重要な要素であり、国際宇宙ステーションの主な焦点です。これらの実験を成功させる方法に関するトレーニングは、ミッションの科学的成果を最大化するため、宇宙飛行士のトレーニングの重要な部分です。軌道に乗ると、宇宙飛行士と地上の科学者とのコミュニケーションが制限される可能性があり、時間はさまざまなミッション活動に厳密に割り当てられます。地上からの介入をできるだけ少なくして、タイムリーに実験を完了するには、宇宙飛行士が割り当てられた実験に精通していることが不可欠です。

ISS へのミッションでは、各宇宙飛行士は 100 以上の実験に習熟する必要があります。訓練中、実験を担当する科学者は、実験を実施する宇宙飛行士と直接接触することはありません。その代わりに、科学者はトレーナーを指導し、トレーナーは宇宙飛行士が実験を実施できるように準備します。この訓練の多くは、欧州宇宙飛行士センターで行われます。

人体実験の場合、科学者は実験内容を宇宙飛行士に説明し、宇宙飛行士はISSへの搭乗に参加するかどうかを選択します。これらの実験では、宇宙飛行士はミッションの前、最中、後にテストを受け、基準を確立し、宇宙飛行士が基準に戻った時期を判断します。

宇宙飛行士のためのバーチャルリアリティ訓練は、宇宙飛行士候補者に没入型の訓練体験を与えることを目的としています。バーチャルリアリティは、宇宙に行く前に宇宙飛行士を人工的に宇宙の状況や手順にさらす技術として研究されてきました。バーチャルリアリティを使用すると、宇宙飛行士は、必要なすべての機器と環境の特徴をシミュレートしたEVA（船外活動）を実行するための訓練と評価を受けることができます。この最新技術により、緊急プロトコルをテストするなど、シナリオを移動中に変更することもできます。 ^[11] VR訓練システムは、慣れのプロセスを通じて宇宙酔いの影響を軽減できます。飛行前のVR訓練は、微小重力環境の無重力による宇宙酔いと方向感覚の喪失に対する対策になります。^[12]目標が練習ツールとして機能することである場合、バーチャルリアリティは、没入感や訓練生の関与の効果を高めるために、ロボット工学や追加のハードウェアと組み合わせて研究されることがよくあります。^[13]

NASA では、選考段階の後、いわゆる「AsCans」(宇宙飛行士候補者) は、完全な資格を持つ宇宙飛行士になるために最大 2 年間のトレーニングを受ける必要があります。最初に、すべての AsCans は、技術スキルとソフト スキルの両方を習得するための基礎トレーニングを受ける必要があります。次の 16 の異なる技術コースがあります。

• 生命維持システム
• 軌道力学
• ペイロードの展開
• 地球観測
• 宇宙生理学と医学

AsCanは最初に基礎訓練を受け、そこでソユーズやISSのシステム、飛行の安全と運用、陸上と水上での生存について訓練を受ける。パイロットのAsCanはNASAのT-38練習機の訓練を受ける。さらに、現代の宇宙探査はさまざまな国のコンソーシアムによって行われ、非常に公に見える分野であるため、宇宙飛行士は専門的および文化的訓練、および語学コース（特にロシア語）を受けた。^[14]

基礎訓練を修了した候補者は、NASAの高度訓練に進む。AsCanは、宇宙で何をするのかを体感するために、実物大の模型で訓練を受ける。これは、シャトル訓練機がまだ運用されていたときにそれを使用することと、シミュレーションのモックアップを使用して行われる。シャトル訓練機は、シャトルが引退するまで、着陸練習のために指揮官とパイロットの宇宙飛行士によって独占的に使用されていたが、高度シミュレーションシステム施設は、宇宙環境での作業方法とタスクの成功方法を学ぶために、すべての候補者によって使用されている。シミュレーターとEVA訓練施設は、候補者がさまざまなミッション操作に最善の準備をするのに役立つ。特に、真空チャンバー、放物線飛行、中性浮力施設（NBF）は、候補者が特にEVAのために微小重力環境に順応することを可能にする。仮想現実は、AsCanを宇宙環境に没入させるためのツールとしてもますます使用されるようになっている。^{[14] [15]}

最終段階は集中訓練である。これは打ち上げの約3か月前に始まり、割り当てられたミッションに向けて候補者を準備する。飛行固有の統合シミュレーションは、ミッションのルールと飛行手順の動的なテストの場を提供するように設計されている。最終集中訓練の合同乗員/フライトコントローラー訓練は、ミッション計画と並行して行われる。この段階では、候補者はミッション固有の運用訓練と割り当てられた実験の経験を積む。医療上の問題が発生した場合に、予防的および反応的な行動で効果的に介入するための乗組員医療官訓練も含まれる。^[14]

AsCan が正式に宇宙飛行士の資格を得るには、最大 2 年かかります。通常、訓練プロセスは NASA のさまざまな訓練施設で完了します。^[16]宇宙訓練施設は、宇宙船での宇宙飛行の経験を可能な限り忠実に再現またはシミュレートしようとします。これには、油圧ラムに取り付けられ、最先端のコンピューター技術によって制御されるフルサイズのコックピットのレプリカ、無重力状態をシミュレートするための精巧な水槽、科学者が宇宙の物理学と環境を研究するために使用するデバイスが含まれます。

• 宇宙船モックアップ施設 (SVMF): テキサス州ヒューストンのジョンソン宇宙センターにあります。SVMF は、ISS、オリオン、その他のさまざまな商業プログラムの宇宙船の実物大モデルで構成されています。SVMF の目的は、宇宙飛行士が宇宙船での作業に慣れるためのユニークなシミュレーション体験を提供することです。潜在的なトレーニング プロジェクトには、緊急事態への備え、軌道上の宇宙船内メンテナンス、エアロック操作などがあります。この施設では、ミッション サポートのために地上チームとリアルタイムで通信する宇宙飛行士の体験も提供されます。^[17]
• KC-135 ストラトタンカー: KC-135 はボーイング社が設計した空中給油機です。「無重力の驚異」または「嘔吐彗星」として知られるこの飛行機は、 1994 年以来 NASA の宇宙飛行士に低重力または微小重力環境をシミュレートするために使用されてきた同種の飛行機の中で最も有名です。この飛行機が実行できる「ジェットコースター」操縦は、搭乗者と機器に約 20～25 秒間の無重力状態を提供します。^[18]
• 精密エアベアリングフロア（PABF）：テキサス州ヒューストンのジョンソン宇宙センターにあります。宇宙の微小重力環境のため、摩擦がほとんどなく、宇宙飛行士が大きな物体を動かしたり止めたりすることが困難です。PABFは、圧縮空気を使用して、宇宙飛行士が宇宙で遭遇する可能性のある一般的なハードウェアやモックアップを地上に吊り下げる「フラットフロア」です。宇宙飛行士が大きな物体を動かすことを学ぶために、低摩擦環境をシミュレートするために使用されます。^[17]
• 中性浮力実験室 (NBL): テキサス州ヒューストンのジョンソン宇宙センターにあります。NBL は、重量と浮力効果の組み合わせにより、沈む傾向と浮く傾向のバランスを作り出し、無重力の体験をシミュレートします。NBL には、大きな「水槽」の中に宇宙船の実物大モデルがいくつか置かれています。SVMF とは異なり、NBL は宇宙飛行士が宇宙船の外でメンテナンスなどのプロジェクトを訓練するのに役立ちます。^[19]

ヨーロッパにおける宇宙飛行士の訓練は、ドイツのケルンに本部を置く欧州宇宙飛行士センター(EAC)によって行われます。ヨーロッパの訓練には、基礎訓練、上級訓練、段階別訓練の 3 つの段階があります。

ESA に選ばれたすべての宇宙飛行士は、EAC 本部で基礎訓練を開始します。訓練サイクルのこのセクションは、16 か月間続く 4 つの独立した訓練ブロックに分かれています。宇宙飛行士は、主要な宇宙開発国、その宇宙機関、およびすべての主要な有人および無人宇宙計画に関するオリエンテーションを受けます。このフェーズの訓練では、宇宙部門の適用法と政策についても学習します。技術 (工学、天体力学、推進、軌道力学など) と科学 (人間の生理学、生物学、地球観測、天文学など) の基礎が紹介され、すべての新しい宇宙飛行士が必要な基礎レベルの知識を身に付けていることが保証されます。訓練は ISS の運用と施設について行われ、これには ISS が有人宇宙研究施設として機能するために必要な、ISS に搭載されているすべての主要なオペレーティング システムの紹介も含まれます。このフェーズでは、ISSにサービスを提供するすべての宇宙船（ソユーズ、プログレス、宇宙ステーション補給機（ATV）、宇宙ステーション補給機（HTV）など）の詳細なシステム操作、および地上管制と打ち上げ施設のトレーニングもカバーされます。このトレーニングフェーズでは、ロボット操作、ランデブーとドッキング、ロシア語コース、人間の行動とパフォーマンス、そして最後にPADIオープンウォータースキューバダイビングコースなどのスキルにも重点が置かれています。このスキューバコースでは、ESAのNBFで基本的なEVAトレーニングを行い、その後、リンドン・B・ジョンソン宇宙センターのより大きなNASAトレーニング施設に移動します。

上級トレーニングには、ISS のより詳細な調査、すべてのシステムの保守および操作方法の学習が含まれます。また、この段階では、すべての宇宙飛行士が ISS 内で科学実験を行えるように、強化科学トレーニングも実施されます。このフェーズは完了までに約 1 年かかり、トレーニングは EAC だけでなく、ISS パートナー ネットワーク全体で完了します。このフェーズを完了して初めて、宇宙飛行士は宇宙飛行に割り当てられます。

インクリメント固有のトレーニングは、宇宙飛行士がフライトに割り当てられた後にのみ開始されます。このフェーズは 18 か月間続き、割り当てられたミッションでの役割に備えます。このフェーズでは、乗組員とバックアップ乗組員が一緒にトレーニングを行います。ISS での乗組員のタスクは、宇宙飛行士の特定の経験と専門的背景を考慮して個別に調整されます。すべての搭載機器には、3 つの異なるユーザー レベル (ユーザー レベル、オペレーター レベル、スペシャリスト レベル) があります。乗組員は、システムの専門家であると同時に、他のシステムではオペレーターまたはユーザーにすぎない場合があります。そのため、トレーニング プログラムは個別に調整されます。インクリメント固有のトレーニングには、通常とは異なる状況に対処するためのトレーニングも含まれます。宇宙飛行士は、割り当てられたミッションに特別にスケジュールされている実験を実行する方法も学びます。

宇宙飛行士の訓練は、一般宇宙訓練、グループ訓練、乗組員訓練の3つの段階に分かれています。^[20]一般宇宙訓練は約2年間続き、授業、サバイバル訓練、そして宇宙飛行士が試験宇宙飛行士になるか研究宇宙飛行士になるかを決定する最終試験で構成されています。次の1年間はグループ訓練に費やされ、宇宙飛行士はソユーズやISS、そして専門的なスキルを専門的に学びます。最後の段階である乗組員訓練段階は1年半続き、詳細な宇宙船操作手順、ISS訓練、英語に費やされます。

訓練は主にユーリ・ガガーリン宇宙飛行士訓練センターで行われます。センター施設には、ISSを含むソ連とロシアの主要な宇宙船の実物大模型があります。ISSの宇宙飛行士と同様に、宇宙飛行士はISSのさまざまなモジュールに関する特別な訓練のために米国、ドイツ、日本、カナダで訓練を受けます。

日本の有人宇宙飛行プログラムは、歴史的にスペースシャトルミッションの宇宙飛行士の訓練に重点を置いてきました。そのため、訓練はこれまで NASA のリンドン・B・ジョンソン宇宙センターで行われ、NASA の宇宙飛行士やスペースシャトル プログラムの他の国際参加者の訓練に倣っていました。

筑波宇宙センターに国内訓練施設が整備されて以来、日本での訓練はますます増えている。日本のISS参加に伴い、日本人宇宙飛行士の訓練は他のISSパートナーと同様の構造になっている。宇宙飛行士は主に筑波で1.5年間の基礎訓練を行い、その後筑波とISSパートナー施設で1.5～2年間の高度訓練を受ける。きぼうモジュールに関わる国際ISS宇宙飛行士の訓練も筑波宇宙センターで行われる。^[21]

上級訓練の後には段階別訓練が続き、これはきぼうの訓練とともに筑波で実施される。きぼうの船外活動訓練は無重力環境試験システム（WETS）で行われる。WETSは中性浮力施設で、ISSのきぼうモジュールの実物大模型を備えている。筑波宇宙センターには、候補者の適性を評価するための医療施設、長期間の宇宙飛行の精神的および感情的ストレスの一部をシミュレートするための隔離室、および船体破損や生命維持システムの故障による気圧の低下または喪失のシナリオを訓練するための低圧室も備わっている。^[22]

神舟計画の選考過程の公式詳細は不明だが、候補者は中国国家宇宙局によって中国空軍から選ばれ、年齢は25歳から30歳で、飛行時間は最低800時間、学位レベルの学歴を持つ必要がある。候補者の身長は160cmから172cm、体重は50kgから70kgでなければならない。^[23]

中国の神舟宇宙飛行士の訓練は、宇宙飛行の基礎を学ぶ1年間の教育プログラムから始まります。この期間中、候補者は人間の生理学と心理学についても学びます。約3年間続く訓練の第2段階には、神舟の通常モードと緊急モードでの操縦に関する広範な訓練が含まれます。訓練の第3段階と最終段階は、ミッション固有の訓練で、約10か月続きます。この訓練段階では、宇宙飛行士は、北京の中国宇宙飛行士センター（ACC）にある高忠実度神舟トレーナーと中性浮力施設で訓練を受けます。中性浮力施設（NBF）での訓練だけでなく、宇宙の環境条件をシミュレートする高真空低温チャンバーで船外活動（EVA）の訓練も行われます。訓練のすべての段階で、宇宙飛行士は、ACCにある人間遠心分離機での時間や、ロシアで実施される微小重力飛行プログラムなど、身体の調整を受けます。^[24]

インドの有人宇宙飛行計画はまだ正式な許可を待っている。認可されれば、このミッションは2人のインド人をソユーズ型軌道船で低地球軌道に運ぶ予定である。これらの宇宙飛行士の訓練は、インド唯一の宇宙飛行士航空団司令官ラケシュ・シャルマ（1984年のサリュート7号参照）の訓練から得られた教訓と、NASAおよびロスコスモスとのインドの国際協力を通じて得られた教訓に基づくべきである。インドは独自に有人宇宙飛行計画を進めるかもしれないが、それにはインド宇宙研究機関（ISRO）が独自の訓練プログラムを開発する必要がある。インドはケンペゴウダ国際空港から8～10キロのところに宇宙飛行士訓練施設と生物医学工学センターを建設する計画である。インド初の有人ミッションの訓練は米国かロシアで行われるため、この施設は将来の宇宙飛行士訓練に使用される。ケンペゴウダ・センターには放射線調整、熱サイクリング、遠心加速訓練用の部屋が設けられる予定である。^[25]

非政府宇宙飛行士の第一世代はおそらく弾道飛行を行うだろうが、現在ヴァージン・ギャラクティックやエックスコア・エアロスペースなどの企業が独自の弾道飛行宇宙飛行士訓練プログラムを開発している。^{[26] [27] [28]}

月や火星への長期ミッションに出る宇宙飛行士は、複数のタスクと任務を遂行する必要がある。なぜなら、そのようなミッションでは、宇宙飛行士は主に自律的に行​​動する必要があり、多くの異なる分野に精通している必要があるからである。これらのタイプのミッションでは、宇宙飛行士を準備するための訓練には、医師、科学者、エンジニア、技術者、パイロット、地質学者としての訓練が含まれる可能性が高い。さらに、乗組員が大部分孤立している長期ミッションの心理的側面にも焦点が当てられるだろう。^[29]

現在、ISS への 6 か月間のミッションには、最大 5 年間の宇宙飛行士の訓練が必要です。このレベルの訓練は予想されており、将来の宇宙探査ミッションではさらに拡大される可能性があります。飛行中の訓練も含まれる可能性があります。将来、ISS が長期宇宙飛行士訓練施設として使用される可能性もあります。

宇宙飛行士の訓練のための強力なツールは、NASA極限環境ミッション運用（NOAA NEEMO）、NASAの砂漠研究技術研究（Desert RATS）、Envihab（計画中）、フライトアナログ研究ユニット、ホートン火星プロジェクト（HMP）、さらにはISS（飛行中）などのアナログ環境の継続的な使用です。実際、NEEMOでは合計15人のミッション宇​​宙飛行士（アクアノートとして知られる）が将来の小惑星ミッションのために訓練されています。^{[30]特に船外活動（} EVA ）などの操作では、仮想現実の使用も費用対効果の高い方法で宇宙飛行士を訓練する手段として引き続き使用されます。

これらのミッションは、ロボットの存在なしには完全に独立してはいません。これは、宇宙飛行士とロボットの調和のとれた関係を築くために徹底的に理解し実践しなければならない、人間とロボットの相互作用への新しい道を開きます。これらのロボットは、宇宙飛行士のパーソナルアシスタントから次世代の極限環境探検家まで、宇宙飛行士を支援します。現在、ISS には、人間のような感覚で宇宙飛行士の膨大な作業を支援するロボットがあります。異文化間およ​​び人間とロボットの相互作用のトレーニングは、長期ミッションに今求められています。

訓練は、将来の月面着陸から火星への有人ミッションへと進化させる必要があります。^[31]これらのミッションは月面着陸まで1年から火星では3年かかるため、乗組員のダイナミクス、乗組員の規模、乗組員の活動などの要素が重要な役割を果たします。このようなミッションに必要な訓練は、汎用性が高く、習得しやすく、適応しやすく、即興で行えるものでなければなりません。

火星への旅では、宇宙飛行士は9か月間、宇宙船に留まる必要がある。^[32]旅の単調さと孤独は、新たな心理的課題を提示する。宇宙船で過ごす長い期間は、潜水艦や南極基地などの他の形態の独房監禁に匹敵する。孤立した閉じ込められた環境にいると、ストレス、対人関係の葛藤、その他の行動上および精神的問題が生じる。^[33]しかし、自然の景色や愛する人とのコミュニケーションは、これらの影響を緩和し、軽減することがわかっている。仮想現実環境で自然の景色と社会化を提供する双方向生活向上のための社会的相互作用ネットワーク（ANSIBLE）は、行動健康の解決策として研究されている。^[34]

研究者たちは、長期ミッション中に隔離された閉鎖環境（ICE）で生じるストレス要因に乗組員が対処できるよう、現在のメンタルヘルスツールをどのように調整できるかを研究している。^[35]国際宇宙ステーションは、乗組員間の衝突を最小限に抑え、心理的課題に対処するために、仮想宇宙ステーション（VSS）と呼ばれる行動衝突管理システムを使用している。^[36]このプログラムには、宇宙での仮想セラピーセッションを通じて宇宙飛行士を導く、人間関係管理、ストレス、うつ病に焦点を当てたモジュールがある。^[35]

バーチャルリアリティ技術が初めて商業的にリリースされたのは1990年代です。その時になって初めて、宇宙飛行士の訓練にVRを使用できることが認識されました。宇宙飛行士の訓練用の初期のVR機器は、船外活動（EVA）中にロボットアームオペレーターと宇宙飛行士の間のコミュニケーションを強化することを目的としていました。宇宙船に乗っているときでも、EVAクルーメンバーとロボットアームオペレーターをライブで結びつけます。^[37]また、無重力実験室（NBL）に収まらない特大のモデルの一部を置き換えるためにも使用されています。

1993年、宇宙飛行士はハッブル宇宙望遠鏡での作業について、仮想現実訓練ツールであるRAVEN（船外活動訓練およびシミュレーションのための強化仮想環境の人間工学的側面に関する研究）を通じて訓練および評価を受けた。しかし、RAVENの目的は宇宙飛行士の訓練ではなく、水中やその他の環境と比較して仮想現実を使用した訓練の有効性を評価することであった。^[38]

VRの長年の技術開発により、NASAのVRラボのハードウェアも大幅に改善されました。ディスプレイの素材と解像度の両方が改良されています。^[37]

• 1991: 液晶ディスプレイ (LCD) - 320x420
• 1992: ブラウン管 (CRT) - 1280x1024
• 2005: マイクロ有機発光ダイオード (マイクロ OLED) - 800x600
• 2012: LCD - 1280x720
• 2015: OLED - 1920x1080

仮想現実は、技術革新の歴史を通じて、宇宙探査のより幅広い分野にも採用されてきました。VRの新しい応用には、以下のものが含まれますが、これらに限定されるわけではありません。^[39]

• ミッション計画
• 協力的かつインタラクティブなデザイン
• エンジニアリング問題解決
• データモデリング

船外活動（EVA）訓練施設では、圧力や照明などの宇宙環境をシミュレートできますが、微小重力環境を地球の1G環境で完全に再現することはできません。^[40] EVA訓練では、訓練プロセスの没入感を高めるために仮想現実が活用されています。NASAジョンソン宇宙センターには、宇宙船モックアップ施設（SVMF）、仮想現実研究所（VRL）、中性浮力研究所（NBL）などの施設があります。

SVMFは、部分重力シミュレータ（PGS）とエアベアリングフロア（PABF）を使用して、無重力とニュートンの運動法則の影響をシミュレートします。^{[41]同様のトレーニングシステムは、アポロとジェミニのトレーニングに由来しています。バーチャルリアリティは、流体クイックディスコネクト操作、船外活動、オービターの}スペースシャトル熱保護システム（TPS）修理などのトレーニングモジュール中に宇宙飛行士の感覚を強化します。 ^[41]

NASAバーチャルリアリティ研究所は、簡易な船外活動救助（SAFER）を補完する簡易補助装置としてバーチャルリアリティを利用している。VRトレーニングでは、ヘッドセット、触覚フィードバックグローブ、モーショントラッカーを使用して、国際宇宙ステーション（ISS）のグラフィカルな3次元シミュレーションを提供する。^[42] 2018年には、第55次長期滞在の2人の宇宙飛行士、リチャード・R・アーノルドとアンドリュー・J・フォイステルがバーチャルリアリティのトレーニングを受け、210回目の船外活動を行った。^[43]バーチャルリアリティ研究所は、宇宙に打ち上げられる前に宇宙飛行士に没入型のVR船外活動体験を提供する。トレーニングプロセスでは、ISSを複製するグラフィカルレンダリングプログラムと、宇宙飛行士が物体と対話しながら周囲を視覚的に探索できるシャーロットロボットと呼ばれる装置が組み合わされている。シャーロットロボットは、ユーザーが装置と対話できるように側面に金属製のアームが取り付けられたシンプルな装置である。^[44]それに応じて、中央コンピュータはケーブル網を使用して装置を操作し、物理的に宇宙でどのように動作するかを計算します。^[45]物体は宇宙では無重力ですが、宇宙飛行士は物体の慣性力に精通し、物体が宇宙で失われないように単純な動きにどのように反応するかを理解する必要があります。^{[44] [46]}トレーニングは個人またはパートナーと一緒に行うことができます。これにより、宇宙飛行士は微小重力環境で質量と慣性モーメントとどのように相互作用するかを学ぶことができます。^[45]

無重力環境をシミュレートし、宇宙に浮いている感覚を再現できるという利点がある。この訓練方法は、世界最大級のプールで自然浮力を維持して低重力環境を構築することによって達成される。船外活動や宇宙遊泳の訓練に使用されるNBLプールは、長さ62メートル（203フィート）、幅31メートル（102フィート）、深さ12メートル（39フィート）で、^[16]容量は620万ガロンである。^[47]訓練中に視覚情報を提供するため、水中ヘッドマウントディスプレイ仮想現実ヘッドセットが使用され、フレームレートは60fps、画面解像度は1280×1440である。 ^[47]水中VR訓練システムは、VRアプリケーションのアクセシビリティにより訓練コストが削減され、宇宙飛行士は割り当てられた練習タスクを完了するのに必要な時間が短縮される。

NASAの訓練モジュールに加えて、商業宇宙飛行訓練でも訓練システムを改善するために仮想現実技術が使用されています。ボーイングの仮想現実チームはボーイング・スターライナーの訓練システムを開発し、宇宙飛行士が地球と国際宇宙ステーションの間を移動できるように訓練しています。VR訓練システムは、打ち上げ、宇宙への突入、予期しない場所への着陸など、高速状況や緊急シナリオをシミュレートできます。^[48]

視覚的再定位は、視野や手がかりの変化により物体の認識が変わるときに起こる現象である。^[49]この錯覚により、宇宙飛行士は重力の方向づけ力の認識が変わり、空間の方向を見失う。宇宙飛行士は視覚的再定位を克服するために、優れた空間認識力と方向感覚を身につけなければならない。例えば、従来の方向感覚喪失訓練では、ユーリ・ガガーリン宇宙飛行士訓練センターは、遠心分離機を使って微小重力環境をシミュレートすることで宇宙飛行士を訓練している。^[7]対照的に、VR訓練では必要な装備が少なくて済むため、宇宙飛行士をより経済的に訓練できる。

バーチャルリアリティトレーニングでは、フライトシミュレーターのコックピットなどのリアルなインタラクションデバイスを組み合わせて使用​​することで、シミュレーション酔いを軽減し、ユーザーの動きを増やすことができます。^[50]従来のトレーニングと比較して、VRトレーニングは宇宙酔いや空間識失調の影響を最小限に抑える効果があります。VRトレーニングを受けた宇宙飛行士は、タスクを12％速く実行でき、吐き気の症状が53％減少しました。^[12]

VRは地上での宇宙飛行士の訓練に使用されていますが、没入型技術は軌道上の訓練にも貢献しています。^[51] VRヘッドマウントディスプレイは、熟練度維持訓練の一環として宇宙飛行士の身体的健康を維持するのに役立ちます。^{[7] [51]}さらに、VRシステムは乗組員の精神的健康を確保するために使用されています。社会的シナリオのシミュレーションは、孤立した閉鎖環境（ICE）下でのストレスを軽減し、つながりを確立することができます。^[51]

バーチャルリアリティは、地球を離れる前に宇宙飛行士を国際宇宙ステーションなどの宇宙環境に慣れさせます。宇宙飛行士はNBLでの訓練中にISSに慣れることができますが、ステーションの特定のセクションしか見ることができません。宇宙飛行士が宇宙で行うタスクに備えることはできますが、ステーションのレイアウトの空間的な理解を完全に得られるとは限りません。そこでバーチャルリアリティが重要な役割を果たします。バーチャルリアリティラボは、ダイナミックオンボードユビキタスグラフィックスプログラム（DOUG）と呼ばれるシステムを使用して、デカール、流体ライン、電気ラインを含むISSの外観をモデル化し、乗組員が新しい環境に順応できるようにします。^[44]詳細レベルはステーションの外観を超えています。ユーザーが宇宙に入ると、瞳孔が拡張し、空が星で満たされるまで、真っ黒な状態が見えます。これは「ブルーミング効果」と呼ばれる現象です。^[52]

仮想現実は宇宙飛行士が宇宙で直面する未知の任務に備えるための訓練であるが、この訓練では宇宙飛行士が日常的に直面する心理的・感情的ストレスを再現することはできない。これは、仮想的な任務は現実の任務と同じ影響を及ぼさず、この技術は閉所恐怖症のような閉鎖環境でよく起こる強い心理的影響を生み出さないためである。^[53]

仮想微小重力環境をシミュレートするには、追加の機器が必要になるため、コストがかかる場合があります。商用化されたバーチャルリアリティとは異なり、NASAが使用する機器は、システムに追加の技術が必要であるため、大規模に製造することはできません。^[35]いくつかのVRプログラムは、中性浮力ラボまたはバーチャルリアリティラボのシャーロットロボットと組み合わせて動作しますが、高価な設備が必要であり、VRが最小限に抑えることができる移動コンポーネントを排除するものではありません。^[54] NASAのシャーロットロボットは、微小重力環境をシミュレートするケーブルによって制限されており、バーチャルリアリティラボが所有するマシンは2台のみです。^[44]この特定のトレーニングシステムには、NASAのトレーニングや中国宇宙飛行士センターのEVA仮想システムに組み込まれている仮想グローブボックスシステム（GVX）が必要です。^[55]生地に埋め込まれたセンサーを使用して、手袋は着用者が物体をつかむか放すかを感知できますが、正確なユーザーの動きを仮想プログラムに統合するには、テクノロジーをさらに開発する必要があります。^[45]これらの手袋は不快であり、限られた動きしかキャプチャできないと報告されています。^[53]全身モーションセンサーも訓練に組み込まれており、高価になる傾向がありますが、宇宙飛行士の動きに応じて効果的な触覚フィードバックを得るために必要です。全身センサーを必要としない仮想現実プログラムが開発されていますが、全身センサーがないと、ユーザーが仮想世界と対話できる度合いが低下します。^[53]

宇宙探査におけるバーチャルリアリティ技術に関する今後の研究の主な焦点は、微小重力環境をシミュレートする方法の開発である。これは、宇宙飛行士の訓練にVRが使用され始めた当初から目標とされてきたが、わずかな進歩しか遂げられていない。現在のセットアップでは、人の足に取り付けられたバンジーロープ、体に取り付けられたブランコ、そして最後にヘッドマウントVRディスプレイが使用されている。^{[56] [57]}しかし、このセットアップを使用して低重力環境をシミュレートする実験の参加者は、VRの助けを借りて宇宙を動き回る感覚を体験するだけで、その体験は宇宙空間での実際の無重力環境に似ていない。具体的には、参加者自身の体重によるバンジーロープとブランコからの圧力が、非現実的で不快な感覚を生み出す。^[56]現在の技術は、一般の人々が宇宙を動き回る感覚を体験するには十分かもしれないが、宇宙飛行士の訓練ツールとして正式に使用されるにはまだ遠い。

微小重力をシミュレートするこれらの取り組みは、宇宙飛行士の訓練のためのより没入感のある環境を作り出すという同様の目的を果たします。実際、これは VR 業界全体の発展傾向です。私たちが想像している究極のシーン VR 体験は、最終的には現実世界と仮想世界の間の境界がなくなることで特徴づけられるでしょう。

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