Anche se inizialmente la maggior parte degli astronauti statunitensi erano piloti collaudatori, questo requisito aveva più a che fare con la loro capacità di operare efficacemente in situazioni di alto stress che con le loro abilità di pilota, poiché i veicoli spaziali utilizzati nei programmi Mercury, Gemini e Apollo avevano una limitata capacità di manovra in orbita e tornavano sulla Terra usando paracaduti per il rientro. A partire dal 1978, con l’avvento dello space shuttle, che funzionava come laboratorio e centro operativo quando era in orbita e poi come aliante ad alta velocità e difficile da controllare quando rientrava nell’atmosfera e volava verso una pista di atterraggio, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) selezionava due tipi di individui come candidati astronauti. A un gruppo era richiesta una vasta esperienza di volo su aerei a reazione. Questi candidati astronauti sono stati addestrati per servire come piloti dello shuttle ed eventualmente come comandanti della missione dello shuttle. Il secondo gruppo fu scelto per diventare astronauti specialisti di missione. A questi candidati non era richiesto di essere piloti (anche se alcuni lo erano); piuttosto, erano individui con una formazione o esperienza scientifica, medica o ingegneristica avanzata. A partire dal 1992, in previsione della partecipazione alle missioni sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), un certo numero di individui di vari paesi sono diventati candidati astronauti specialisti di missione internazionale.
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Gli specialisti di missione sono stati addestrati per avere la responsabilità primaria durante una missione per il funzionamento dei sistemi dello shuttle o della stazione spaziale e l’esecuzione del carico utile e delle attività sperimentali. Gli specialisti di missione eseguivano anche attività extraveicolari (passeggiate nello spazio).
Oltre ai piloti e agli astronauti specialisti di missione, c’era una terza categoria di individui che andavano nello spazio sullo shuttle: gli specialisti del carico utile. Essi svolgevano esperimenti o attività di carico utile con cui avevano particolare familiarità. Sebbene fossero noti al grande pubblico come astronauti, gli specialisti del carico utile non si sottoponevano alla selezione o all’addestramento formale degli astronauti e non erano designati astronauti di carriera della NASA. Tuttavia, avevano un’istruzione e un addestramento adeguati alle loro responsabilità di missione. Uno specialista del carico utile per un volo spaziale specifico era nominato dalla NASA, da un’agenzia spaziale non statunitense o da uno sponsor del carico utile. Durante gli anni ’80 due membri del Congresso volarono a bordo della navetta spaziale come specialisti del carico utile, e l’insegnante Christa McAuliffe fu uno specialista del carico utile “insegnante nello spazio” nella missione Challenger, condannata. Il primo astronauta statunitense ad orbitare intorno alla Terra, John Glenn, tornò nello spazio come specialista del carico utile dello shuttle nell’ottobre 1998. La maggior parte degli specialisti del carico utile ha fatto un solo volo spaziale.
I candidati astronauti possono provenire sia dalla vita civile che da quella militare. Tutti (tranne i candidati specialisti di missione per l’istruzione) sono tenuti ad avere una laurea in ingegneria, scienze della vita o scienze fisiche, o matematica. Sia gli uomini che le donne possono candidarsi sia come pilota che come candidato specialista di missione. Una persona che desidera diventare astronauta deve presentare una domanda formale alla NASA e sottoporsi a un rigoroso processo di screening che consiste in interviste personali, valutazioni mediche e orientamento al programma spaziale. Secondo la NASA, i selezionati devono essere giocatori di squadra e generalisti altamente qualificati con un certo grado di individualità e fiducia in se stessi. L’età media di un individuo selezionato come candidato astronauta della NASA è stata di circa 30 anni. L’altezza massima per un candidato astronauta è ora 6 piedi 4 pollici (193 cm); l’altezza minima è 4 piedi 10,5 pollici (149 cm), anche se i piloti devono essere almeno 5 piedi 4 pollici (163 cm).
I candidati astronauti partecipano ad un intenso programma di addestramento di uno o due anni al Johnson Space Center della NASA, a Houston. Imparano i sistemi dello shuttle e della stazione spaziale, la guida e la navigazione, la dinamica orbitale e la lavorazione dei materiali, oltre a matematica, geologia, meteorologia, oceanografia, astronomia e fisica. Vengono anche addestrati alla sopravvivenza terrestre e marina, alle immersioni subacquee, alle tute spaziali e all’assenza di gravità. Dopo aver completato con successo l’addestramento, i candidati sono designati astronauti di carriera della NASA.
Una volta che un astronauta viene assegnato ad una particolare missione, lui o lei e gli altri membri dell’equipaggio si allenano insieme per un certo numero di mesi per prepararsi alle attività specifiche del loro volo spaziale. Questo può includere lezioni di russo se devono far parte di un equipaggio di lunga durata sulla ISS. Durante l’addestramento usano una varietà di simulatori e altre attrezzature per familiarizzare con le attività di missione pianificate e per reagire alle emergenze simulate e ad altre deviazioni dalle normali operazioni.
Con la fine del programma space shuttle e l’avvento delle missioni di lunga durata sulla ISS, la distinzione tra astronauti piloti e specialisti di missione è svanita; un astronauta di entrambe le categorie può essere un candidato per una missione nella stazione. Tra i loro incarichi di volo spaziale, gli astronauti assumono una varietà di compiti all’interno della NASA, che vanno dai comunicatori di controllo della missione (che mantengono i contatti con i loro colleghi nello spazio) ai manager senior.
Nel programma spaziale russo ci sono state tradizionalmente due categorie di cosmonauti: i comandanti di missione (che di solito sono piloti) e gli ingegneri di volo. Come negli Stati Uniti, i candidati cosmonauti devono sottoporsi ad un rigoroso esame fisico, che a volte si estende per diversi mesi, per valutare la loro capacità di effettuare voli di lunga durata. L’addestramento dei candidati cosmonauti, che avviene presso il Centro di Addestramento Cosmonauti Yury Gagarin a Star City, Russia, vicino a Mosca, comprende due anni di argomenti generali relativi al volo spaziale, dopo i quali vengono designati cosmonauti, e poi fino a due anni di addestramento sull’hardware del volo spaziale. Solo allora un individuo può essere assegnato a una missione specifica, con uno o più anni aggiuntivi di formazione richiesti prima del lancio. In contrasto con l’addestramento alla missione degli astronauti statunitensi, che fino alla fine degli anni ’90 enfatizzava i compiti specifici da svolgere in una breve missione nello space shuttle, l’addestramento precedentemente sovietico e ora russo ha enfatizzato il volo spaziale generale e le capacità di risoluzione dei problemi associate a soggiorni più lunghi nello spazio. Dalla fine degli anni ’90, l’addestramento degli astronauti statunitensi si è spostato verso un approccio simile per gli astronauti che si preparano a rimanere sulla ISS.
Oltre ai programmi di addestramento degli astronauti di Stati Uniti, Russia e Cina, che sono gli unici paesi con veicoli di lancio e veicoli spaziali in grado di trasportare persone nello spazio, l’Agenzia Spaziale Europea di 22 paesi, il Giappone e il Canada hanno programmi di selezione e addestramento di astronauti sponsorizzati dal governo che sono simili a quelli della NASA. Gli individui selezionati da altri paesi per andare nello spazio partecipano al programma di addestramento degli astronauti americano o russo o a entrambi; quelli che si addestrano per le missioni sulla ISS possono anche visitare località in Europa, Giappone e Canada per un addestramento specializzato relativo all’hardware della stazione spaziale.
Alcuni individui hanno viaggiato nello spazio come privati cittadini. Alcuni sono stati sponsorizzati dai loro datori di lavoro, come il giornalista televisivo giapponese Akiyama Toyohiro, che ha riferito dalla stazione spaziale Mir nel dicembre 1990. Altri, come l’imprenditore americano Dennis Tito, l’uomo d’affari sudafricano Mark Shuttleworth, l’uomo d’affari americano Gregory Olsen, l’ingegnere americano di origine iraniana Anousheh Ansari, il dirigente americano di software informatico di origine ungherese Charles Simonyi, lo sviluppatore di videogiochi americano di origine britannica Richard Garriott e l’artista canadese Guy Laliberté, che hanno fatto brevi viaggi sulla ISS a bordo di una navicella russa tra il 2001 e il 2009, hanno utilizzato le proprie risorse per pagare il prezzo multimilionario del viaggio. Tali individui sono designati come partecipanti al volo spaziale o “turisti spaziali”.