Космическое сближение ( / ˈ r ɒ n d eɪ v uː / ) — это набор орбитальных маневров , во время которых два космических корабля , один из которых часто является космической станцией , выходят на одну и ту же орбиту и сближаются на очень близкое расстояние (например, в пределах визуальный контакт). Для встречи требуется точное совпадение орбитальных скоростей и векторов положения двух космических кораблей, что позволяет им оставаться на постоянном расстоянии за счет удержания орбитальной станции . За сближением может последовать, а может и не последовать стыковка или причаливание — процедуры, которые приводят космический корабль в физический контакт и создают связь между ними.
Ту же технику сближения можно использовать для «посадки» космических аппаратов на естественные объекты со слабым гравитационным полем, например, посадка на одну из марсианских лун потребует такого же согласования орбитальных скоростей с последующим «спуском», который имеет некоторое сходство со стыковкой. .
В своей первой программе пилотируемых космических полетов «Восток» Советский Союз запустил пары 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 идентичные орбиты; однако этого было недостаточно точно для достижения встречи, поскольку у «Востока» не было маневренных двигателей, которые могли бы скорректировать его орбиту в соответствии с орбитой 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. [1] [2]
В 1963 году Базз Олдрин защитил докторскую диссертацию на тему « Методы наведения в пределах прямой видимости для пилотируемых орбитальных встреч». [3] Будучи астронавтом НАСА, Олдрин работал над тем, чтобы «перевести сложную орбитальную механику в относительно простые планы полетов для моих коллег». [4]
Первая попытка НАСА сближения была предпринята 3 июня 1965 года, когда американский астронавт Джим Макдивитт попытался маневрировать своим кораблем «Джемини-4» для встречи с отработанной верхней ступенью ракеты-носителя «Титан II» . МакДивитт не смог подобраться достаточно близко, чтобы удержаться на месте, из-за проблем с восприятием глубины и выхода топлива из ступени, из-за чего она продолжала перемещаться. [5] Однако попытки «Джемини-4» сблизиться оказались безуспешными, главным образом потому, что инженерам НАСА еще предстояло изучить орбитальную механику , задействованную в этом процессе. Просто направить нос активной машины на цель и нанести удар не удалось. Если цель находится впереди по орбите и сопровождающий аппарат увеличивает скорость, его высота также увеличивается, фактически удаляя его от цели. Увеличение высоты увеличивает период обращения в соответствии с третьим законом Кеплера , в результате чего трекер помещается не только над целью, но и позади нее. Правильная техника требует изменения орбиты сопровождающего аппарата, чтобы позволить цели сближения либо догнать, либо быть догнанной, а затем в нужный момент перейти на ту же орбиту, что и цель, без относительного движения между аппаратами (например, поставив трекер на более низкую орбиту, у которой более короткий период обращения, что позволяет ему догнать его, а затем выполнить переход Хомана обратно на исходную орбитальную высоту). [6]
Как позже заметил инженер GPO Андре Мейер: «Есть хорошее объяснение тому, что пошло не так во время встречи». Экипаж, как и все остальные в MSC , «просто не понимал и не рассуждал о задействованной орбитальной механике . В результате мы все стали намного умнее и действительно усовершенствовали маневры сближения, которые теперь использует Аполлон ».
— [6]
Впервые сближение было успешно осуществлено американским астронавтом Уолли Ширрой 15 декабря 1965 года. Ширра маневрировал космическим кораблем «Джемини-6» в пределах 1 фута (30 см) от его родственного корабля « Джемини-7» . Космические корабли не были оборудованы для стыковки друг с другом, но оставались на месте более 20 минут. Позже Ширра прокомментировал: [7]
Кто-то сказал... когда вы подходите на расстояние трех миль (5 км), вы встретились. Если кто-то думает, что ему удалось организовать встречу на расстоянии трех миль (5 км), веселитесь! Именно тогда мы начали делать свою работу. Я не думаю, что свидание окончено до тех пор, пока вас не остановят – полностью остановят – без относительного движения между двумя транспортными средствами на расстоянии примерно 120 футов (37 м). Это свидание! С этого момента это ведение станции. Вот тогда вы можете вернуться и поиграть в игру «Вождение автомобиля», «Управление самолетом» или «Качание скейтборда» — это примерно так просто.
Ширра использовал другую метафору, чтобы описать разницу между достижениями двух стран: [8]
[Русское «свидание»] было мимолетным взглядом — это эквивалент мужчины, идущего по оживленной главной улице, где проносится много машин, и замечает симпатичную девушку, идущую по другой стороне. Он говорит: «Эй, подожди», но она ушла. Это мимолетный взгляд, а не рандеву.
Первая стыковка двух космических кораблей была осуществлена 16 марта 1966 года, когда «Джемини-8 » под командованием Нила Армстронга сблизился и состыковался с беспилотным транспортным средством Agena Target Vehicle . «Джемини-6» должен был стать первой стыковочной миссией, но ее пришлось отменить, поскольку корабль «Агена» этой миссии был уничтожен во время запуска. [9]
Советы осуществили первую автоматизированную беспилотную стыковку кораблей «Космос-186» и «Космос-188» 30 октября 1967 года. [10]
Первым советским космонавтом, предпринявшим попытку стыковки вручную, был Георгий Береговой , который безуспешно пытался состыковать свой корабль «Союз-3» с непилотируемым «Союзом-2 » в октябре 1968 года. Он смог приблизить свой корабль с 200 метров (660 футов) на расстояние до 30 сантиметров. (1 фут), но не смог состыковаться, прежде чем израсходовал топливо для маневрирования. [ нужна цитата ]
Первая успешная стыковка экипажа [11] произошла 16 января 1969 года, когда «Союз-4» и «Союз-5» состыковались, собрав двух членов экипажа «Союза-5», которым пришлось совершить выход в открытый космос , чтобы достичь «Союза-4». [12]
В марте 1969 года «Аполлон-9» осуществил первую внутреннюю пересадку членов экипажа между двумя состыкованными космическими кораблями.
Первое сближение двух космических кораблей из разных стран произошло в 1975 году, когда космический корабль «Аполлон» состыковался с космическим кораблем «Союз» в рамках миссии «Аполлон-Союз» . [13]
Первая многократная стыковка в космосе произошла, когда «Союз-26» и «Союз-27» были пристыкованы к космической станции «Салют-6» в январе 1978 года .
Встреча происходит каждый раз, когда космический корабль доставляет членов экипажа или припасы на орбитальную космическую станцию. Первым космическим кораблем, сделавшим это, был « Союз-11» , который успешно состыковался со станцией « Салют - 1 » 7 июня 1971 года . (ИСС). В настоящее время космические корабли «Союз» используются примерно с шестимесячным интервалом для перевозки членов экипажа на МКС и обратно. С введением Программы коммерческих экипажей НАСА США смогут использовать свою собственную ракету-носитель вместе с «Союзом», обновленной версией Cargo Dragon от SpaceX; Экипаж Дракона. [15]
Роботизированные космические корабли также используются для сближения с космическими станциями и пополнения запасов. Космические корабли «Союз» и «Прогресс» автоматически состыковались как с «Миром» [16] , так и с МКС с помощью стыковочной системы «Курс» , европейский автоматический транспортный корабль также использовал эту систему для стыковки с российским сегментом МКС. Некоторые беспилотные космические корабли используют швартовочный механизм НАСА , а не стыковочный порт . Японский транспортный корабль H-II (HTV), SpaceX Dragon и космический корабль Cygnus компании Orbital Sciences маневрируют для близкого сближения и удержания на месте, что позволяет МКС Canadarm2 захватить и переместить космический корабль в порт причала в американском сегменте. . Однако обновленная версия Cargo Dragon больше не будет нуждаться в швартовке, а вместо этого будет автономно стыковаться непосредственно с космической станцией. Российский сегмент использует только стыковочные порты, поэтому HTV, Dragon и Cygnus не смогут найти там место для стоянки. [17]
Космическое сближение использовалось для множества других целей, включая недавние миссии по обслуживанию космического телескопа Хаббл . Исторически сложилось так, что в ходе миссий проекта «Аполлон» , в ходе которых астронавты высаживались на Луну , этап подъема лунного модуля «Аполлон» должен был сближеться и стыковаться с командно-сервисным 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 позволить ему совершить орбитальный маневр . [ нужна цитата ]
Возможное сближение в будущем может быть осуществлено с помощью еще не разработанного автоматизированного роботизированного аппарата Хаббла (HRV) и 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 захоронения, после чего CX-OLEV, возможно, можно будет повторно использовать для другого спутника. Постепенный переход с геостационарной переходной орбиты на геостационарную орбиту займет несколько месяцев с использованием двигателей на эффекте Холла . [18]
В качестве альтернативы два космических корабля уже вместе, и их просто расстыковать и состыковать другим способом:
НАСА иногда называет « Операции сближения , стыковки и расстыковки » (RPODU) для обозначения набора всех процедур космического полета, которые обычно необходимы при работе космических кораблей, когда два космических корабля работают рядом друг с другом с намерением соединиться друг с другом. [19]
Стандартный метод сближения и стыковки - стыковка активной машины, «преследователя», с пассивной «целью». Эта технология успешно использовалась в программах «Джемини», «Аполлон», «Аполлон/Союз», «Салют», «Скайлэб», «Мир», МКС и «Тяньгун». [ нужна цитата ]
Чтобы правильно понять процесс сближения космических кораблей, важно понять связь между скоростью космического корабля и орбитой. Космический корабль на определенной орбите не может произвольно изменять свою скорость. Каждая орбита соответствует определенной орбитальной скорости. 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.
Чтобы произошло сближение на орбите, оба космических корабля должны находиться в одной орбитальной плоскости , а фаза орбиты (положение космического корабля на орбите) должна совпадать. [20] Для стыковки скорость двух транспортных средств также должна совпадать. «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 оказывается быстрее цели и догоняет ее. [ нужна цитата ]
Как только два космических корабля окажутся достаточно близко, орбита преследователя синхронизируется с орбитой цели. То есть преследователь будет ускорен. Это увеличение скорости выводит преследователя на более высокую орбиту. Увеличение скорости выбирается таким, чтобы преследователь примерно занял орбиту цели. Поэтапно преследователь приближается к цели до тех пор, пока не будет запущена операция сближения (см. ниже). На самом последнем этапе скорость закрытия снижается за счет использования активной системы контроля реакции 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). [21]
Космическое сближение активного или «преследующего» космического корабля с (предполагаемым) пассивным космическим кораблем можно разделить на несколько этапов и обычно начинается с того, что два космических корабля находятся на разных орбитах, обычно разделенных более чем 10 000 километров (6 200 миль): [ 22]
Для выполнения поступательных и вращательных маневров , необходимых для операций сближения и стыковки, можно использовать различные методы . [24]
Два наиболее распространенных метода захода на посадку для операций сближения : на одной линии с траекторией полета космического корабля (называемой V-образной планкой, поскольку она расположена вдоль вектора скорости цели) и перпендикулярно траектории полета вдоль линии радиуса. орбиты (называемой R-баром, поскольку она расположена вдоль радиального вектора цели по отношению к Земле). [22] Выбранный метод подхода зависит от безопасности, конструкции космического корабля/двигателя, сроков миссии и, особенно при стыковке с МКС, от местоположения назначенного стыковочного порта.
Подход с V-образной балкой представляет собой подход «преследователя» горизонтально вдоль вектора 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. [22] [25] 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 это пропустить (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. [ нужна цитата ]
STS-104 был третьим полетом космического корабля "Шаттл" , осуществившим прибытие V-образной балки на Международную космическую станцию . [26] V-образная планка, или вектор скорости , проходит вдоль линии непосредственно перед станцией. Шаттлы подходят к МКС по V-образной балке при стыковке в стыковочном узле ПМА-2 . [27]
Подход с R-баром состоит в том, что преследователь движется ниже или выше целевого космического корабля вдоль его радиального вектора. Движение ортогонально орбитальной скорости пассивного космического корабля. [22] [25] Находясь ниже цели, преследователь запускает радиальные двигатели, чтобы приблизиться к цели. При этом он увеличивает свою высоту. Однако орбитальная скорость преследователя остается неизменной (включение двигателя в радиальном направлении на орбитальную скорость не влияет). Теперь в несколько более высоком положении, но с орбитальной скоростью, не соответствующей местной круговой скорости, преследователь немного отстает от цели. Небольшие ракетные импульсы в направлении орбитальной скорости необходимы для удержания преследователя вдоль радиального вектора цели. Если эти ракетные импульсы не будут выполнены (например, из-за отказа двигателя), преследователь уйдет от цели. Это естественный эффект торможения . Для подхода с R-баром этот эффект сильнее, чем для подхода с V-баром, что делает подход с R-баром более безопасным из двух. [ нужна цитата ] Как правило, подход R-bar снизу предпочтительнее, поскольку преследователь находится на более низкой (более быстрой) орбите, чем цель, и, таким образом, «догоняет» ее. При подходе к R-бару сверху преследователь находится на более высокой (медленной) орбите, чем цель, и поэтому ему приходится ждать, пока цель приблизится к ней. [ нужна цитата ]
Astrotech предложила удовлетворить грузовые потребности МКС с помощью корабля, который будет приближаться к станции, «используя традиционный подход к надиру с R-образной перекладиной». [28] Подход к надиру с R-образной планкой также используется для полетов на МКС транспортных средств H-II и кораблей SpaceX Dragon . [29] [30]
Сближение активного, или «преследующего», космического корабля горизонтально со стороны и ортогонально плоскости орбиты пассивного космического корабля, то есть со стороны и вне плоскости орбиты пассивного космического корабля, называется Z-образный подход. [31]
Большинство наблюдателей считали, что высадка США на Луну завершила космическую гонку решающей победой Америки. […] Формальный конец космической гонки произошел с совместной миссией «Аполлон-Союз» в 1975 году, в ходе которой американские и советские космические корабли состыковались или соединились на орбите, в то время как их экипажи посещали корабли друг друга и проводили совместные научные эксперименты.
