Космическое свидание -Space rendezvous

Встреча этапа подъема лунного модуля " Орел " с командным модулем " Колумбия " на лунной орбите после возвращения с приземления

Космическое рандеву ( / ˈrɒn d v / ) представляет собой набор орбитальных маневров , во время которых два космических корабля , один из которых часто является космической станцией , прибывают на одну и ту же орбиту и приближаются на очень близкое расстояние (например, в пределах визуальный контакт). Рандеву требует точного совпадения орбитальных скоростей и векторов положения . Лунное пространство полностью разрушено. НАСА два космических корабля теперь используют для каждого опыта на других планетах, что позволяет им оставаться на постоянном расстоянии за счет удержания орбитальной станции .. Сближение может сопровождаться или не сопровождаться стыковкой или причаливанием , процедурами, которые приводят космический корабль в физический контакт и создают связь между ними.

Тот же метод сближения может быть использован для «посадки» космического корабля на естественные объекты со слабым гравитационным полем, например, для посадки на одну из марсианских лун потребуется такое же согласование орбитальных скоростей с последующим «спуском», который имеет некоторое сходство со стыковкой. .

История

В своей первой пилотируемой космической программе «Восток » Советский Союз запустил пару космических кораблей с одной и той же стартовой площадки с интервалом в один или два дня ( «Восток-3» и «4 » в 1962 году и «Восток-5» и «6» в 1963 году). В каждом случае системы наведения ракет-носителей выводили два корабля на почти одинаковые орбиты; однако этого было недостаточно точно для встречи, поскольку у «Востока» не было маневренных двигателей, чтобы настроить свою орбиту так, чтобы она соответствовала орбите его близнеца. Первоначальные расстояния разделения находились в диапазоне от 5 до 6,5 километров (от 3,1 до 4,0 миль) и постепенно увеличивались до тысяч километров (более тысячи миль) в ходе миссий.

В 1963 году Базз Олдрин представил свою докторскую диссертацию под названием « Методы наведения на линии прямой видимости для пилотируемых орбитальных сближений». Будучи астронавтом НАСА, Олдрин работал над «переводом сложной орбитальной механики в относительно простые планы полета для моих коллег».

Первая попытка не удалась

Первая попытка НАСА сблизиться была предпринята 3 июня 1965 года, когда американский астронавт Джим МакДивитт попытался маневрировать на своем корабле « Джемини-4 », чтобы встретить верхнюю ступень отработавшей ракеты- носителя «Титан II» . МакДивитт не смог подобраться достаточно близко, чтобы удержаться на месте, из-за проблем с восприятием глубины и ступенчатой ​​вентиляции пороха, которая продолжала перемещать его. Однако попытки сближения Gemini 4 не увенчались успехом в основном потому , что инженерам НАСА еще предстояло изучить орбитальную механику , задействованную в этом процессе. Простое наведение носа активной машины на цель и толчок не увенчались успехом. Если цель находится впереди на орбите и машина сопровождения увеличивает скорость, ее высота также увеличивается, фактически удаляя ее от цели. Затем большая высота увеличивает орбитальный период из-за третьего закона Кеплера , помещая трекер не только выше, но и позади цели. Правильная техника требует изменения орбиты корабля сопровождения, чтобы цель встречи могла либо догнать, либо быть догоняемой, а затем в нужный момент перейти на ту же орбиту, что и цель, без относительного движения между кораблями (например, положить трекер на более низкую орбиту, которая имеет более короткий орбитальный период, что позволяет ему наверстать упущенное, а затем выполняет переход Хомана обратно на исходную орбитальную высоту).

Как позже заметил инженер GPO Андре Мейер: «Есть хорошее объяснение того, что пошло не так со рандеву». Экипаж, как и все остальные в MSC , «просто не понимал и не обдумывал задействованную орбитальную механику . В результате мы все стали намного умнее и действительно усовершенствовали маневры сближения, которые теперь использует Аполлон ».

— 

Первое удачное свидание

Gemini 7 сфотографирован с Gemini 6 в 1965 году.

Рандеву было впервые успешно осуществлено американским астронавтом Уолли Ширрой 15 декабря 1965 года. Ширра маневрировал космическим кораблем « Джемини-6 » в пределах 1 фута (30 см) от своего родственного корабля « Джемини-7 » . Космические корабли не были оборудованы для стыковки друг с другом, но удерживали станцию ​​более 20 минут. Позже Ширра прокомментировал:

Кто-то сказал... когда вы приближаетесь к трем милям (5 км), вы встречаетесь. Если кто-то думает, что они устроили рандеву на расстоянии трех миль (5 км), получайте удовольствие! Вот тогда мы и начали свою работу. Я не думаю, что рандеву окончено, пока вы не остановитесь — полностью остановитесь — без относительного движения между двумя транспортными средствами на расстоянии примерно 120 футов (37 м). Это рандеву! С этого момента это стационарное обслуживание. Вот когда вы можете вернуться назад и поиграть в игру с вождением автомобиля, или самолетом, или толканием скейтборда - это примерно так просто.

Он использовал другой пример, чтобы описать разницу между достижениями двух стран:

[Русское рандеву] было мимолетным взглядом — это эквивалент мужчины, идущего по оживленной главной улице с большим количеством машин, и он замечает симпатичную девушку, идущую по другой стороне. Он собирается «Эй, подожди», но она ушла. Это мимолетный взгляд, а не рандеву. Теперь, если этот самый мужчина сможет пересечь все это движение и откусить ухо этой девушки, вот это рандеву!

Первая стыковка

Целевая машина Gemini 8 Agena
Стыковка Gemini 8 с Agena в марте 1966 г.

Первая стыковка двух космических кораблей была осуществлена ​​16 марта 1966 года, когда Gemini 8 под командованием Нила Армстронга встретилась и состыковалась с беспилотным кораблем-мишенью Agena . Gemini 6 должна была стать первой миссией по стыковке, но ее пришлось отменить, когда корабль Agena этой миссии был уничтожен во время запуска.

30 октября 1967 года Советы осуществили первую автоматизированную стыковку без экипажа между « Космосом-186 » и « Космосом-188 ».

Первым советским космонавтом, предпринявшим попытку ручной стыковки, был Георгий Береговой , который безуспешно пытался состыковать свой корабль «Союз-3» с неуправляемым кораблем «Союз-2» в октябре 1968 года. Он смог поднять свой корабль с высоты 200 метров (660 футов) до 30 сантиметров. (1 фут), но не смог состыковаться, пока не исчерпал топливо для маневрирования.

Первая успешная стыковка с экипажем произошла 16 января 1969 года, когда состыковались «Союз-4 » и «Союз-5 », в результате чего два члена экипажа «Союза-5» должны были совершить выход в открытый космос , чтобы добраться до «Союза-4».

В марте 1969 года « Аполлон-9 » осуществил первый внутренний переход членов экипажа между двумя состыкованными космическими кораблями.

Первое сближение двух космических кораблей из разных стран произошло в 1975 году, когда в рамках миссии « Аполлон-Союз » состоялась стыковка корабля «Аполлон» с кораблем «Союз ».

Первая многократная космическая стыковка состоялась, когда «Союз-26 » и «Союз-27 » были пристыкованы к космической станции « Салют-6 » в январе 1978 года.

Использование

Солнечная батарея золотистого цвета, изогнутая и скрученная, не по форме и с несколькими отверстиями.  Край модуля виден справа от изображения, а Земля видна на заднем плане.
Поврежденные солнечные батареи на модуле " Спектр " "Мира" после столкновения с неуправляемым космическим кораблем " Прогресс " в сентябре 1997 года в составе корабля " Шаттл-Мир " . Для снабжения станции использовались космические корабли "Прогресс". В этом космическом рандеву пошло не так, "Прогресс" столкнулся с "Миром", начав разгерметизацию, которая была остановлена ​​закрытием люка на " Спектр " .

Встреча происходит каждый раз, когда космический корабль доставляет членов экипажа или припасы на орбитальную космическую станцию. Первым космическим кораблем, сделавшим это, стал «Союз-11 », который успешно состыковался со станцией « Салют-1 » 7 июня 1971 года. Пилотируемые космические полеты успешно совершили сближение с шестью станциями «Салют », со « Скайлэбом », с «Миром» и с Международной космической станцией (МКС) . . В настоящее время космические корабли «Союз» используются для перевозки членов экипажа на МКС и обратно с интервалом примерно в шесть месяцев. С введением программы коммерческих экипажей НАСА США могут использовать свою собственную ракету-носитель вместе с «Союзом», обновленной версией грузового дракона SpaceX; Экипаж Дракон.

Роботизированные космические корабли также используются для встречи и пополнения запасов космических станций. Космические корабли «Союз» и « Прогресс » автоматически состыковались как с «Миром» , так и с МКС с помощью стыковочной системы «Курс» . Европейский автоматический транспортный корабль также использовал эту систему для стыковки с российским сегментом МКС. Несколько космических кораблей без экипажа используют швартовочный механизм НАСА, а не стыковочный порт . Японский транспортный корабль H-II (HTV), космический корабль SpaceX Dragon и космический корабль Cygnus от Orbital Sciences маневрируют на близкое сближение и удерживают станцию, позволяя МКС Canadarm2 захватывать и перемещать космический корабль к причальному порту на американском сегменте. . Однако обновленная версия Cargo Dragon больше не будет нуждаться в причаливании, а вместо этого будет автономно стыковаться непосредственно с космической станцией. Российский сегмент использует только стыковочные порты, поэтому HTV, Dragon и Cygnus не могут найти там причал.

Космическое рандеву использовалось для множества других целей, включая недавние миссии по обслуживанию космического телескопа Хаббл . Исторически сложилось так, что для миссий проекта «Аполлон» , в ходе которых астронавты высаживались на Луну , этап подъема лунного модуля «Аполлон » должен был сближаться и стыковаться с командно-служебным модулем «Аполлон» во время маневров сближения на лунной орбите . Кроме того, экипаж STS-49 встретился со спутником связи Intelsat VI F-3 и прикрепил к нему ракетный двигатель, чтобы он мог совершить орбитальный маневр .

Возможное сближение в будущем может быть осуществлено с помощью еще не разработанного автоматизированного роботизированного транспортного средства Хаббла (HRV) и с помощью CX-OLEV , который разрабатывается для сближения с геостационарным спутником , у которого закончилось топливо. CX-OLEV возьмет на себя управление орбитальной станцией и / или, наконец, выведет спутник на орбиту кладбища, после чего CX-OLEV, возможно, можно будет повторно использовать для другого спутника. Постепенный переход с геостационарной переходной орбиты на геосинхронную займет несколько месяцев с использованием двигателей на эффекте Холла .

В качестве альтернативы два космических корабля уже вместе, и их можно просто расстыковать и состыковать другим способом:

  • Корабль "Союз" от одной стыковочной точки к другой на МКС или "Салют"
  • На космическом корабле « Аполлон » маневр, известный как перестановка, стыковка и извлечение, был выполнен примерно через час после транслунной инъекции третьей ступени последовательности ракеты « Сатурн V » / LM внутри адаптера LM / CSM (в порядке снизу вверх в запуск, а также порядок сзади вперед по отношению к текущему движению), с CSM с экипажем, LM на данном этапе без экипажа:
    • CSM отделился, а четыре верхние панели адаптера LM были утилизированы
    • CSM повернулся на 180 градусов (от двигателя назад, в сторону LM, вперед)
    • CSM, подключенный к LM, в то время как он все еще был подключен к третьему этапу
    • комбинация CSM / LM затем отделяется от третьей ступени

НАСА иногда называет «рандеву, операции сближения , стыковку и расстыковку » (RPODU) для набора всех процедур космического полета, которые обычно необходимы для операций космического корабля, когда два космических корабля работают в непосредственной близости друг от друга с намерением соединиться друг с другом.

Этапы и методы

Орбитальное рандеву. 1/ Оба космических корабля должны находиться в одной орбитальной плоскости. МКС летит по более высокой орбите (с меньшей скоростью), квадроцикл летит по более низкой орбите и догоняет МКС. 2/В момент, когда квадроцикл и МКС образуют угол альфа (около 2°), квадроцикл пересекает эллиптическую орбиту к МКС.

Стандартный метод сближения и стыковки заключается в стыковке активной машины, «преследователя», с пассивной «целью». Эта методика успешно использовалась для программ «Джемини», «Аполлон», «Аполлон/Союз», «Салют», «Скайлэб», «Мир», «МКС» и «Тяньгун».

Чтобы правильно понять сближение космического корабля, важно понять связь между скоростью космического корабля и орбитой. Космический корабль на определенной орбите не может произвольно изменять свою скорость. Каждой орбите соответствует определенная орбитальная скорость. Если космический корабль запустит двигатели и увеличит (или уменьшит) свою скорость, он выйдет на другую орбиту, соответствующую более высокой (или более низкой) скорости. Для круговых орбит более высокие орбиты имеют более низкую орбитальную скорость. Нижние орбиты имеют более высокую орбитальную скорость.

Для орбитального сближения оба КА должны находиться в одной орбитальной плоскости , а фаза орбиты (положение КА на орбите) должна совпадать. Для стыковки скорость двух транспортных средств также должна быть согласована. «Преследователь» размещается на несколько более низкой орбите, чем цель. Чем ниже орбита, тем выше орбитальная скорость. Таким образом, разница в орбитальных скоростях преследователя и цели такова, что преследователь движется быстрее цели и догоняет ее.

Как только два космических корабля окажутся достаточно близко, орбита преследователя синхронизируется с орбитой цели. То есть погонщик будет ускоряться. Это увеличение скорости переносит преследователя на более высокую орбиту. Увеличение скорости выбирается таким образом, чтобы преследователь примерно выходил на орбиту цели. Поэтапно преследователь приближается к цели, пока не можно будет начать операции сближения (см. Ниже). На самой последней фазе скорость закрытия снижается за счет использования системы управления реакцией активного транспортного средства . Стыковка обычно происходит со скоростью от 0,1 фута/с (0,030 м/с) до 0,2 фута/с (0,061 м/с).

Фазы рандеву

Космическое сближение активного или «преследователя» космического корабля с (предполагаемым) пассивным космическим кораблем может быть разделено на несколько этапов и обычно начинается с двух космических кораблей на разных орбитах, обычно разделенных более чем на 10 000 километров (6 200 миль):

Фаза Разделительное расстояние Типичная продолжительность фазы
Дрейфовая орбита A
(вне поля зрения, вне контакта)
>2 λ макс. от 1 до 20 дней
Дрейф Орбиты B
(в поле зрения, в контакте)
2 λ макс . до 1 км (3300 футов) от 1 до 5 дней
Операции сближения А 1000–100 метров (3280–330 футов) от 1 до 5 орбит
Операции сближения B 100–10 метров (328–33 футов) 45 – 90 минут
Стыковка <10 метров (33 фута) <5 минут

Для выполнения поступательных и вращательных маневров , необходимых для операций сближения и стыковки , могут использоваться различные методы .

Методы подхода

Два наиболее распространенных метода захода на посадку для операций сближения - на одной линии с траекторией полета космического корабля (называемой V-образной планкой, так как она проходит вдоль вектора скорости цели) и перпендикулярной траектории полета по линии радиуса. орбиты (называемой R-полосой, так как она проходит вдоль радиального вектора цели по отношению к Земле). Выбранный метод подхода зависит от безопасности, конструкции космического корабля / двигателя, графика миссии и, особенно для стыковки с МКС, от местоположения назначенного стыковочного порта.

V-образный подход

Заход на посадку V-образным стержнем представляет собой сближение «преследователя» горизонтально по вектору скорости пассивного космического корабля. То есть сзади или спереди и в том же направлении, что и орбитальное движение пассивной цели. Движение параллельно орбитальной скорости цели. При подходе с V-образной планкой сзади преследователь запускает небольшие двигатели, чтобы увеличить свою скорость в направлении цели. Это, конечно, также выводит преследователя на более высокую орбиту. Чтобы удержать преследователь на V-векторе, другие двигатели запускаются в радиальном направлении. Если этого не сделать (например, из-за отказа двигателя), преследователь будет переведен на более высокую орбиту, что связано с орбитальной скоростью ниже, чем у цели. Следовательно, цель движется быстрее преследователя и расстояние между ними увеличивается. Это называется эффектом естественного торможения и является естественной защитой в случае отказа двигателя.

STS-104 был третьей миссией космического корабля "Шаттл " , совершившей посадку V-образной формы на Международную космическую станцию . V-образная полоса, или вектор скорости , проходит вдоль линии прямо перед станцией. Шаттлы подходят к МКС по V-образной траверсе при стыковке в стыковочном порту ПМА-2 .

R-образный подход

Подход с R-образной планкой состоит в том, что преследователь движется ниже или выше целевого космического корабля вдоль его радиального вектора. Движение ортогонально орбитальной скорости пассивного космического корабля. Находясь ниже цели, преследователь запускает радиальные двигатели, чтобы приблизиться к цели. Тем самым он увеличивает свою высоту. Однако орбитальная скорость преследователя остается неизменной (запуски двигателей в радиальном направлении не влияют на орбитальную скорость). Теперь в несколько более высоком положении, но с орбитальной скоростью, не соответствующей местной круговой скорости, преследователь немного отстает от цели. Небольшие импульсы ракеты в направлении орбитальной скорости необходимы для удержания преследователя вдоль радиального вектора цели. Если эти ракетные импульсы не выполняются (например, из-за отказа двигателя), преследователь уйдет от цели. Это естественный эффект торможения . Для подхода с R-образной перемычкой этот эффект сильнее, чем для подхода с V-образной перемычкой, что делает подход с R-образной перекладиной более безопасным из двух. Как правило, R-образный подход снизу предпочтительнее, так как преследователь находится на более низкой (более быстрой) орбите, чем цель, и, таким образом, «догоняет» ее. При подходе с R-образной планкой сверху преследователь находится на более высокой (медленной) орбите, чем цель, и поэтому должен ждать, пока цель приблизится к нему.

Компания Astrotech предложила удовлетворить грузовые потребности МКС с помощью транспортного средства, которое будет приближаться к станции, «используя традиционный подход с R-образной перемычкой в ​​надире». Заход на посадку с R-образной планкой в ​​надире также используется для полетов к МКС транспортных средств H-II Transfer Vehicles и транспортных средств SpaceX Dragon .

Z-образный подход

Сближение активного или «преследователя» космического корабля по горизонтали со стороны и ортогонально плоскости орбиты пассивного космического корабля, то есть сбоку и вне плоскости орбиты пассивного космического корабля, называется Z-образный подход.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки