Vesmírné setkání -Space rendezvous

Lunar Module Eagle výstupový stupeň setkání s velitelským modulem Columbia na oběžné dráze Měsíce po návratu z přistání

Vesmírné setkání ( / ˈ r ɒ n d v / ) je soubor orbitálních manévrů , během kterých dvě kosmické lodě , z nichž jedna je často vesmírná stanice , dorazí na stejnou dráhu a přiblíží se na velmi blízkou vzdálenost (např. vizuální kontakt). Randezvous vyžaduje přesnou shodu orbitálních rychlostí a polohových vektorů vesmír Luna pěkně zničil síť NASA dvě kosmické lodě nyní používají pro každou zkušenost na jiných planetách, což jim umožňuje zůstat v konstantní vzdálenosti prostřednictvím udržování orbitálních stanic. Setkání může nebo nemusí být následováno dokováním nebo kotvením , postupy, které přivedou kosmickou loď do fyzického kontaktu a vytvoří mezi nimi spojení.

Stejnou techniku ​​setkání lze použít pro „přistání“ kosmické lodi na přírodních objektech se slabým gravitačním polem, např. přistání na jednom z marťanských měsíců by vyžadovalo stejné přizpůsobení orbitálních rychlostí, po kterém by následoval „sestup“, který sdílí některé podobnosti s dokováním. .

Dějiny

Ve svém prvním programu kosmických letů Vostok Sovětský svaz vypustil páry kosmických lodí ze stejné startovací rampy s odstupem jednoho nebo dvou dnů ( Vostok 3 a 4 v roce 1962 a Vostok 5 a 6 v roce 1963). V každém případě naváděcí systémy nosných raket umístily obě plavidla na téměř identické oběžné dráhy; to však nebylo zdaleka tak přesné, aby se dosáhlo setkání, protože Vostok postrádal manévrovací trysky, aby upravil svou dráhu tak, aby odpovídala dráze svého dvojčete. Počáteční vzdálenosti byly v rozmezí 5 až 6,5 kilometrů (3,1 až 4,0 mil) a v průběhu misí se pomalu rozcházely na tisíce kilometrů (přes tisíc mil).

V roce 1963 Buzz Aldrin předložil svou doktorskou práci nazvanou Techniky navádění přímky na orbitální setkání s posádkou. Jako astronaut NASA Aldrin pracoval na „převedení složité orbitální mechaniky do relativně jednoduchých letových plánů pro mé kolegy“.

První pokus se nezdařil

První pokus NASA o schůzku se uskutečnil 3. června 1965, když se americký astronaut Jim McDivitt pokusil manévrovat se svým plavidlem Gemini 4 , aby se setkal s horním stupněm jeho vyčerpané nosné rakety Titan II . McDivitt nebyl schopen dostat se dostatečně blízko, aby dosáhl udržení stanice, kvůli problémům s hloubkovým vnímáním a ventilaci paliva na jevišti, která ji neustále pohybovala. Pokusy Gemini 4 o setkání však byly neúspěšné převážně proto , že inženýři NASA se ještě museli naučit orbitální mechaniku zapojenou do procesu. Pouhé namíření nosu aktivního vozidla na cíl a vyražení bylo neúspěšné. Pokud je cíl na oběžné dráze vpředu a sledovací vozidlo zvyšuje rychlost, zvyšuje se také jeho nadmořská výška, čímž se ve skutečnosti vzdaluje od cíle. Vyšší nadmořská výška pak prodlužuje oběžnou dobu díky třetímu Keplerovu zákonu , čímž se sledovač dostává nejen nad, ale i za cíl. Správná technika vyžaduje změnu oběžné dráhy sledovacího vozidla tak, aby cíl setkání mohl buď dohnat, nebo být dohozen, a poté ve správný okamžik změnit na stejnou oběžnou dráhu jako cíl bez relativního pohybu mezi vozidly (např. sledovač na nižší oběžnou dráhu, která má kratší oběžnou dobu, která mu umožňuje dohnat, a poté provede Hohmannův přesun zpět na původní orbitální výšku).

Jak později poznamenal inženýr GPO André Meyer: "Existuje dobré vysvětlení toho, co se na setkání pokazilo." Posádka, stejně jako všichni ostatní v MSC , "prostě nerozuměla nebo nevysvětlila zapojenou orbitální mechaniku . Výsledkem bylo, že jsme všichni získali mnohem chytřejší a skutečně zdokonalili randezvous manévry, které Apollo nyní používá."

— 

První úspěšné setkání

Gemini 7 vyfotografována z Gemini 6 v roce 1965

Setkání poprvé úspěšně uskutečnil americký astronaut Wally Schirra 15. prosince 1965. Schirra manévroval s kosmickou lodí Gemini 6 do vzdálenosti 1 stopy (30 cm) od sesterské lodi Gemini 7 . Kosmické lodě nebyly vybaveny tak, aby se mohly vzájemně ukotvit, ale udržovaly si stanici po dobu delší než 20 minut. Schirra později komentoval:

Někdo řekl... když se dostanete na tři míle (5 km), máte schůzku. Pokud si někdo myslí, že se setkali ve vzdálenosti tří mil (5 km), bavte se! Tehdy jsme začali dělat svou práci. Nemyslím si, že schůzka je u konce, dokud nebudete zastaveni – zcela zastaveni – bez relativního pohybu mezi dvěma vozidly, ve vzdálenosti přibližně 120 stop (37 m). To je schůzka! Od této chvíle je to staniční. Tehdy se můžete vrátit a zahrát si hru na řízení auta, letadla nebo tlačení skateboardu – je to tak jednoduché.

K popisu rozdílu mezi úspěchy obou národů použil další příklad:

[Ruské setkání] byl letmý pohled – ekvivalent toho, jako když muž kráčí po rušné hlavní ulici s velkým provozem a na druhé straně spatří roztomilou dívku. On říká 'Hej, počkej', ale ona je pryč. To je letmý pohled, ne setkání. Teď, když ten samý muž dokáže překlenout všechen ten provoz a okusovat té dívce ucho, teď je to setkání!

První dokování

Cílové vozidlo Gemini 8 Agena
Gemini 8 se spojil s Agenou v březnu 1966

Prvního dokování dvou kosmických lodí bylo dosaženo 16. března 1966, kdy se Gemini 8 , pod velením Neila Armstronga , setkala a připojila se k odšroubovanému cílovému vozidle Agena . Gemini 6 měla být první dokovací misí, ale musela být zrušena, když bylo při startu zničeno vozidlo Agena této mise.

Sověti provedli první automatizované dokování bez posádky mezi Cosmos 186 a Cosmos 188 30. října 1967.

Prvním sovětským kosmonautem, který se pokusil o ruční dokování, byl Georgij Beregovoy , který se v říjnu 1968 neúspěšně pokusil ukotvit své plavidlo Sojuz 3 s neposádkovým Sojuzem 2. Své plavidlo dokázal přiblížit z 200 metrů (660 stop) až na 30 centimetrů. (1 stopa), ale nebyl schopen zakotvit před vyčerpáním paliva pro manévrování.

K prvnímu úspěšnému dokování s posádkou došlo 16. ledna 1969, kdy Sojuz 4 a Sojuz 5 zakotvily a shromáždily dva členy posádky Sojuzu 5, který musel vykonat mimovozovou aktivitu , aby dosáhl Sojuzu 4.

V březnu 1969 dosáhlo Apollo 9 prvního vnitřního přesunu členů posádky mezi dvěma ukotvenými kosmickými loděmi.

První setkání dvou kosmických lodí z různých zemí se uskutečnilo v roce 1975, kdy se kosmická loď Apollo připojila ke kosmické lodi Sojuz v rámci mise Apollo–Sojuz .

K prvnímu vícenásobnému vesmírnému dokování došlo, když byly Sojuz 26 a Sojuz 27 připojeny k vesmírné stanici Saljut 6 v lednu 1978.

Použití

Solární pole zlaté barvy, ohnuté a zkroucené a s několika otvory.  Okraj modulu je vidět napravo od obrázku a v pozadí je vidět Země.
Poškozená solární pole na modulu Spektr na Miru po srážce s odstavenou kosmickou lodí Progress v září 1997 jako součást Shuttle-Mir . Pro zásobování stanice byly použity kosmické lodě Progress. Na tomto vesmírném setkání, které se pokazilo, se Progress srazil s Mirem a začalo snižování tlaku, které bylo zastaveno uzavřením poklopu pro Spektr .

Setkání se koná pokaždé, když kosmická loď přiveze členy posádky nebo zásoby na oběžnou vesmírnou stanici. První kosmickou lodí, které se to podařilo, byl Sojuz 11 , který se 7. června 1971 úspěšně připojil ke stanici Saljut 1. Lidské mise pro lety do vesmíru se úspěšně setkaly se šesti stanicemi Saljut , se Skylabem , s Mirem a s Mezinárodní vesmírnou stanicí (ISS) . . V současné době se kosmické lodě Sojuz používají přibližně v šestiměsíčních intervalech k přepravě členů posádky na az ISS. Se zavedením programu komerčních posádek NASA mohou USA používat vlastní nosnou raketu spolu se Sojuzem, aktualizovanou verzí Cargo Dragon společnosti SpaceX; Crew Dragon.

Robotické kosmické lodě se také používají k setkání a zásobování vesmírných stanic. Kosmické lodě Sojuz a Progress se automaticky připojily k Miru i ISS pomocí dokovacího systému Kurs , evropské Automated Transfer Vehicle také použilo tento systém k dokování ruského segmentu ISS. Několik kosmických lodí bez posádky používá kotvicí mechanismus NASA spíše než dokovací port . Japonské H-II Transfer Vehicle (HTV), SpaceX Dragon a Cygnus od společnosti Orbital Sciences se všechny manévrují k blízkému setkání a udržují stanici, což umožňuje ISS Canadarm2 ukotvit a přesunout kosmickou loď do kotviště na americkém segmentu. . Aktualizovaná verze Cargo Dragon však již nebude muset kotvit, ale místo toho se autonomně zakotví přímo na vesmírné stanici. Ruský segment používá pouze dokovací porty, takže není možné, aby tam HTV, Dragon a Cygnus našli kotviště.

Vesmírné setkání bylo použito pro řadu dalších účelů, včetně nedávných servisních misí k Hubbleovu vesmírnému dalekohledu . Historicky, pro mise projektu Apollo , které přistály astronauty na Měsíci , se výstupová fáze lunárního modulu Apollo setkala a zakotvila s velitelským/servisním modulem Apollo při manévrech setkání na oběžné dráze Měsíce . Posádka STS-49 se také setkala s a připojila raketový motor ke komunikačnímu satelitu Intelsat VI F-3 , aby mu umožnila provést orbitální manévr .

Možné budoucí setkání může uskutečnit ještě nevyvíjené automatizované Hubbleovo robotické vozidlo (HRV) a CX-OLEV , který je vyvíjen pro setkání s geosynchronním satelitem , kterému došlo palivo. CX-OLEV převezme vedení orbitální stanice a/nebo konečně vynese satelit na hřbitovní oběžnou dráhu, po které může být CX-OLEV případně znovu použit pro další satelit. Postupný přesun z geostacionární přenosové oběžné dráhy na geosynchronní oběžnou dráhu bude trvat řadu měsíců, s použitím trysek s Hallovým efektem .

Případně jsou tyto dvě kosmické lodě již pohromadě a stačí je odpojit a ukotvit jiným způsobem:

  • Kosmická loď Sojuz z jednoho dokovacího bodu do druhého na ISS nebo na Saljutu
  • V kosmické lodi Apollo byl manévr známý jako transpozice, dokování a extrakce proveden přibližně hodinu po translunární injekci sekvence třetího stupně rakety Saturn V / LM uvnitř adaptéru LM / CSM (v pořadí zdola nahoru na start, také pořadí zezadu dopředu s ohledem na aktuální pohyb), s posádkou CSM, LM v této fázi bez posádky:
    • CSM se oddělil, zatímco čtyři horní panely adaptéru LM byly zlikvidovány
    • CSM se otočil o 180 stupňů (od motoru dozadu, směrem k LM, dopředu)
    • CSM se připojil k LM, zatímco ten byl ještě připojen ke třetí fázi
    • kombinace CSM/LM se pak oddělila od třetího stupně

NASA někdy odkazuje na "Rendezvous, Proximity-Operations , Docking, and Undocking " (RPODU) pro soubor všech procedur vesmírných letů, které jsou obvykle potřebné při operacích kosmických lodí, kde dvě kosmické lodě pracují ve vzájemné blízkosti se záměrem se navzájem spojit.

Fáze a metody

Velitelský a servisní modul Charlie Brown , jak je vidět z lunárního modulu Snoopy
Orbitální setkání. 1/ Obě kosmické lodě musí být ve stejné orbitální rovině. ISS létá na vyšší oběžné dráze (nižší rychlost), ATV létá na nižší oběžné dráze a dohání ISS. 2/V okamžiku, kdy ATV a ISS svírají alfa úhel (asi 2°), ATV protne eliptickou dráhu k ISS.

Standardní technikou pro setkání a dokování je dokování aktivního vozidla, „pronásledovatele“, s pasivním „cílem“. Tato technika byla úspěšně použita pro programy Gemini, Apollo, Apollo/Sojuz, Saljut, Skylab, Mir, ISS a Tiangong.

Abychom správně porozuměli setkání kosmických lodí, je nezbytné porozumět vztahu mezi rychlostí kosmické lodi a oběžnou dráhou. Kosmická loď na určité oběžné dráze nemůže libovolně měnit svou rychlost. Každá oběžná dráha koreluje s určitou oběžnou rychlostí. Pokud kosmická loď vystřelí trysky a zvýší (nebo sníží) svou rychlost, získá jinou oběžnou dráhu, která koreluje s vyšší (nebo nižší) rychlostí. Pro kruhové dráhy mají vyšší dráhy nižší oběžnou rychlost. Nižší oběžné dráhy mají vyšší orbitální rychlost.

Aby došlo k orbitálnímu setkání, musí být obě kosmické lodě ve stejné orbitální rovině a fáze oběžné dráhy (poloha kosmické lodi na oběžné dráze) musí být shodná. Pro dokování musí být také přizpůsobena rychlost obou vozidel. „Chaser“ je umístěn na o něco nižší oběžné dráze než cíl. Čím nižší orbita, tím vyšší orbitální rychlost. Rozdíl v orbitálních rychlostech pronásledovatele a cíle je proto takový, že pronásledovatel je rychlejší než cíl a dohání jej.

Jakmile jsou obě kosmické lodě dostatečně blízko, dráha pronásledovatele se synchronizuje s dráhou cíle. To znamená, že pronásledovatel bude zrychlen. Toto zvýšení rychlosti vynese lovce na vyšší oběžnou dráhu. Zvýšení rychlosti je zvoleno tak, že pronásledovatel přibližně zaujme oběžnou dráhu cíle. Postupně se pronásledovatel přibližuje k cíli, dokud nelze spustit operace přiblížení (viz níže). Ve velmi konečné fázi je rychlost zavírání snížena použitím systému řízení reakce aktivního vozidla . K dokování obvykle dochází rychlostí 0,1 ft/s (0,030 m/s) až 0,2 ft/s (0,061 m/s).

Fáze setkání

Vesmírné setkání aktivní nebo „pronásledující“ kosmické lodi s (předpokládanou) pasivní kosmickou lodí může být rozděleno do několika fází a obvykle začíná se dvěma kosmickými loděmi na samostatných drahách, které jsou obvykle odděleny více než 10 000 kilometry (6 200 mi):

Fáze Separační vzdálenost Typické trvání fáze
Drift Orbit A
(mimo dohled, mimo kontakt)
>2 λ max 1 až 20 dnů
Drift Orbit B
(v dohledu, v kontaktu)
2 λ max do 1 kilometru (3 300 stop) 1 až 5 dnů
Bezdotykové operace A 1000–100 metrů (3280–330 stop) 1 až 5 oběhů
Bezdotykové operace B 100–10 metrů (328–33 stop) 45 – 90 minut
Dokování <10 metrů (33 stop) <5 minut

K provádění translačních a rotačních manévrů nezbytných pro operace přiblížení a dokování lze použít různé techniky.

Metody přístupu

Dvě nejběžnější metody přiblížení pro blízkost jsou v linii s dráhou letu kosmické lodi (nazývané V-bar, protože je podél vektoru rychlosti cíle) a kolmo na dráhu letu podél linie poloměru. orbity (nazývané R-bar, jak je podél radiálního vektoru, vzhledem k Zemi, cíle). Zvolený způsob přiblížení závisí na bezpečnosti, konstrukci kosmické lodi / trysky, časové ose mise a zejména pro připojení k ISS na umístění přiděleného dokovacího portu.

V-bar přístup

Přístup V-bar je přiblížení „pronásledovatele“ horizontálně podél vektoru rychlosti pasivní kosmické lodi. Tedy zezadu nebo zepředu a ve stejném směru jako je orbitální pohyb pasivního cíle. Pohyb je paralelní s orbitální rychlostí cíle. Při přiblížení V-bar zezadu střelec střílí malými tryskami, aby zvýšil svou rychlost ve směru k cíli. To samozřejmě také žene pronásledovatele na vyšší oběžnou dráhu. Aby stíhač zůstal na V-vektoru, další trysky jsou vypáleny v radiálním směru. Pokud je toto vynecháno (například kvůli poruše trysky), bude pronásledovatel vynesen na vyšší oběžnou dráhu, která je spojena s oběžnou rychlostí nižší, než je rychlost cíle. V důsledku toho se cíl pohybuje rychleji než pronásledovatel a vzdálenost mezi nimi se zvyšuje. To se nazývá přirozený brzdný účinek a je přirozenou ochranou v případě selhání pomocného motoru.

STS-104 byla třetí misí raketoplánu , která provedla přílet ve tvaru V na Mezinárodní vesmírnou stanici . V-bar, neboli vektor rychlosti , se táhne podél čáry přímo před stanicí. Raketoplány se při připojování k dokovacímu portu PMA-2 přibližují k ISS podél V-baru .

R-bar přístup

Přístup R-bar sestává z pronásledování pohybujícího se pod nebo nad cílovou kosmickou lodí podél jejího radiálního vektoru. Pohyb je ortogonální k orbitální rychlosti pasivní kosmické lodi. Když je pronásledovatel pod cílem, vystřelí radiální trysky, aby se přiblížil k cíli. Tím zvyšuje svou nadmořskou výšku. Nicméně, orbitální rychlost chaseru zůstává nezměněna (výstřely trysek v radiálním směru nemají žádný vliv na orbitální rychlost). Nyní v mírně vyšší poloze, ale s orbitální rychlostí, která neodpovídá místní kruhové rychlosti, pronásledovatel mírně zaostává za cílem. Malé raketové impulsy ve směru orbitální rychlosti jsou nezbytné k udržení pronásledovatele podél radiálního vektoru cíle. Pokud tyto raketové impulsy nejsou provedeny (například kvůli poruše trysky), pronásledovatel se vzdálí od cíle. Jedná se o přirozený brzdný účinek . U přístupu R-bar je tento efekt silnější než u přístupu V-bar, takže přístup R-bar je z těchto dvou bezpečnější. Obecně je výhodnější přiblížení pomocí R-baru zespodu, protože pronásledovatel je na nižší (rychlejší) oběžné dráze než cíl, a tak jej „dohání“. Pro přiblížení R-bar shora je pronásledovatel na vyšší (pomalejší) oběžné dráze než cíl, a proto musí čekat, až se k němu cíl přiblíží.

Společnost Astrotech navrhla splnit potřeby ISS týkající se nákladu s vozidlem, které by se ke stanici přiblížilo „za použití tradičního přístupu nadir R-bar“. Přiblížení na R-baru nadir se také používá pro lety k ISS přepravních vozidel H-II a vozidel SpaceX Dragon .

Z-bar přístup

Přiblížení aktivní nebo „pronásledující“ kosmické lodi vodorovně ze strany a kolmo k orbitální rovině pasivní kosmické lodi – tedy ze strany a mimo rovinu oběžné dráhy pasivní kosmické lodi – se nazývá Z-bar přístup.

Viz také

Reference

externí odkazy