Космическое рандеву ( / ˈ r ɒ n d eɪ v uː / ) — это набор орбитальных манёвров , во время которых два космических аппарата , один из которых часто является космической станцией , прибывают на одну и ту же орбиту и сближаются на очень близкое расстояние (например, в пределах визуального контакта). Рандеву требует точного соответствия орбитальных скоростей и векторов положения двух космических аппаратов, что позволяет им оставаться на постоянном расстоянии посредством удержания орбитальной станции . Рандеву может сопровождаться или не сопровождаться стыковкой или причаливанием , процедурами, которые приводят космические аппараты 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, посадка на один из марсианских спутников 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 аппаратов с одной и той же стартовой площадки с разницей 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 для достижения сближения, поскольку у «Востока» не было маневренных двигателей, чтобы скорректировать свою орбиту в соответствии с орбитой своего близнеца. Первоначальные расстояния разделения составляли от 5 до 6,5 километров (от 3,1 до 4,0 миль) и медленно расходились до тысяч километров (более тысячи миль) в ходе миссий. [1] [2]
В 1963 году Базз Олдрин представил свою докторскую диссертацию под названием « Методы управления по линии прямой видимости для пилотируемых орбитальных встреч». [3] Будучи астронавтом НАСА, Олдрин работал над «переводом сложной орбитальной механики в относительно простые планы полета для моих коллег». [4]
Первая попытка сближения была предпринята NASA 3 июня 1965 года, когда американский астронавт Джим МакДивитт попытался маневрировать своим кораблем Gemini 4 , чтобы встретиться с верхней ступенью отработанной ракеты-носителя Titan II . МакДивитт не смог подобраться достаточно близко, чтобы удержаться на месте, из-за проблем с восприятием глубины и выброса топлива на ступени, из-за чего она продолжала перемещаться. [5] Однако попытки сближения Gemini 4 были безуспешными в основном потому, что инженеры NASA еще не изучили орбитальную механику, задействованную в этом процессе. Простое наведение носа активного корабля на цель и тяга были безуспешными. Если цель находится впереди на орбите, а отслеживающий корабль увеличивает скорость, его высота также увеличивается, фактически удаляя ее от цели. Большая высота затем увеличивает орбитальный период из-за третьего закона Кеплера , помещая трекер не только выше, но и позади цели. Правильная техника требует изменения орбиты отслеживающего аппарата, чтобы позволить цели встречи либо догнать ее, либо быть догнанной, а затем в нужный момент изменить ее на ту же орбиту, что и цель, без относительного движения между аппаратами (например, поместить отслеживающий аппарат на более низкую орбиту с более коротким орбитальным периодом, что позволит ему догнать цель, а затем выполнить переход Хохмана обратно на исходную высоту орбиты) [6] .
Как позже заметил инженер GPO Андре Мейер: «Есть хорошее объяснение тому, что пошло не так с рандеву». 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 рандеву, которые теперь использует Apollo ».
— [6]
Рандеву впервые успешно осуществил американский астронавт Уолли Ширра 15 декабря 1965 года. Ширра провел космический корабль Gemini 6 в пределах 1 фута (30 см) от его родственного корабля Gemini 7. Космические корабли не были оборудованы для стыковки друг с другом, но поддерживали стационарную позицию более 20 минут. Позже Ширра прокомментировал: [7]
Кто-то сказал... когда вы приблизитесь на расстояние в три мили (5 км), вы встретились. Если кто-то думает, что он совершил встречу на расстоянии в три мили (5 км), развлекайтесь! Вот когда мы начали свою работу. Я не думаю, что встреча заканчивается, пока вы не остановитесь — полностью остановитесь — без относительного движения между двумя транспортными средствами на расстоянии примерно 120 футов (37 м). Это встреча! С этого момента начинается удержание на месте. Вот когда вы можете вернуться и поиграть в игру вождения автомобиля или вождения самолета или толкания скейтборда — все примерно так просто.
Ширра использовал другую метафору, чтобы описать разницу в достижениях двух стран: [8]
[Русское «рандеву»] было мимолетным взглядом — эквивалентом мужчины, идущего по оживленной главной улице с большим количеством проносящихся машин, и замечающего 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 Gemini 8 под командованием Нила Армстронга встретился и состыковался с беспилотным целевым кораблем Agena . Gemini 6 должен был стать первой стыковочной миссией, но его пришлось отменить, поскольку корабль Agena этой миссии был уничтожен во время запуска. [9]
Советы осуществили первую автоматизированную, непилотируемую стыковку между «Космосом-186» и «Космосом-188» 30 октября 1967 года. [10]
Первым советским космонавтом, попытавшимся осуществить ручную стыковку, был Георгий Береговой , который безуспешно пытался состыковать свой корабль «Союз-3» с беспилотным «Союзом-2» в октябре 1968 года. Автоматизированные системы довели корабль до расстояния 200 метров (660 футов), в то время как Береговой приблизился с помощью ручного управления. [11]
Первая успешная стыковка с экипажем [12] произошла 16 января 1969 года, когда «Союз-4» и «Союз-5» состыковались, забрав двух членов экипажа «Союза-5», которым предстояло совершить выход в открытый космос , чтобы достичь «Союза-4». [13]
В марте 1969 года «Аполлон-9» осуществил первую внутреннюю перевозку членов экипажа между двумя состыкованными космическими кораблями.
Первая встреча двух космических кораблей из разных стран состоялась в 1975 году, когда космический корабль «Аполлон» состыковался с космическим кораблем «Союз» в рамках миссии «Аполлон–Союз» . [14]
Первая многократная стыковка космических кораблей состоялась, когда «Союз-26» и «Союз-27» были пристыкованы к космической станции «Салют-6» в январе 1978 года. [ необходима цитата ]
Рандеву происходит каждый раз, когда космический корабль доставляет членов экипажа или грузы на орбитальную космическую станцию. Первым космическим кораблем, который это сделал, был Союз-11 , который успешно состыковался со станцией Салют-1 7 июня 1971 года. [15] Пилотируемые космические миссии успешно состыковались с шестью станциями Салют , со Скайлэбом , с Миром и с Международной космической станцией (МКС). В настоящее время космические корабли Союз используются примерно с шестимесячными интервалами для доставки членов экипажа на МКС и обратно. С введением Программы коммерческих экипажей НАСА США могут использовать свою собственную ракету-носитель вместе с Союзом, обновленной версией Cargo Dragon компании SpaceX; Crew Dragon. [16]
Роботизированные космические аппараты также используются для сближения и пополнения запасов космических станций. Космические корабли «Союз» и «Прогресс» автоматически состыковались как с «Миром » [17], так и с МКС с помощью стыковочной системы «Курс» , европейский автоматический транспортный корабль также использовал эту систему для стыковки с российским сегментом МКС. Несколько беспилотных космических аппаратов используют причальный механизм NASA , а не стыковочный порт . Японский транспортный корабль H-II (HTV), SpaceX Dragon и космический корабль Cygnus компании Orbital Sciences все маневрируют для близкого сближения и поддерживают удержание на станции, позволяя МКС Canadarm2 захватывать и перемещать космический корабль в причальный порт на американском сегменте. Однако обновленная версия Cargo Dragon больше не будет нуждаться в причаливании, а вместо этого будет автономно стыковаться напрямую с космической станцией. Российский сегмент использует только стыковочные порты, поэтому HTV, Dragon и Cygnus не смогут найти там причал. [18]
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 , ступень взлета лунного модуля «Аполлон» сближалась и стыковалась с командно-сервисным модулем «Аполлон» в ходе лунных орбитальных маневров сближения. Кроме того, экипаж STS-49 сближался и прикреплял ракетный двигатель к спутнику связи Intelsat VI F-3 , чтобы позволить ему совершить орбитальный маневр . [ требуется цитата ]
Возможные будущие встречи могут быть сделаны еще не разработанным автоматизированным роботизированным транспортным средством Hubble Robotic Vehicle (HRV) и CX-OLEV, который разрабатывается для встречи с геосинхронным спутником , у которого закончилось топливо. CX-OLEV возьмет на себя управление орбитальной станцией и/или, наконец, переведет спутник на орбиту захоронения, 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 . [19]
В качестве альтернативы два космических корабля уже вместе и просто расстыковываются и стыкуются другим способом:
НАСА иногда ссылается на « Операции по сближению , стыковке и расстыковке » (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. [20]
Стандартная техника сближения и стыковки заключается в стыковке активного корабля, «преследователя», с пассивной «целью». Эта техника успешно применялась в программах «Джемини», «Аполлон», «Аполлон/Союз», «Салют», «Скайлэб», «Мир», МКС и «Тяньгун». [ необходима цитата ]
Чтобы правильно понять сближение космических аппаратов, необходимо понимать связь между скоростью и орбитой космического аппарата. Космический аппарат на определенной орбите не может произвольно изменять свою скорость. Каждая орбита коррелирует с определенной орбитальной скоростью. Если космический аппарат включает двигатели и увеличивает (или уменьшает) свою скорость, он получит другую орбиту, с большей или меньшей высотой. На круговых орбитах более высокие орбиты имеют более низкую орбитальную скорость. Более низкие орбиты имеют более высокую орбитальную скорость.
Для орбитального сближения оба космических аппарата должны находиться в одной орбитальной плоскости , а фаза орбиты (положение космического аппарата на орбите) должна совпадать. [21] Для стыковки скорость двух аппаратов также должна совпадать. «Преследователь» размещается на немного более низкой орбите, чем цель. Чем ниже орбита, тем выше орбитальная скорость. Разница в орбитальных скоростях преследователя и цели, таким образом, такова, что преследователь быстрее цели и догоняет ее. [ необходима цитата ]
Как только два космических корабля окажутся достаточно близко, орбита преследователя синхронизируется с орбитой цели. То есть преследователь будет ускоряться. Это увеличение скорости переносит преследователь на более высокую орбиту. Увеличение скорости выбирается таким образом, чтобы преследователь приблизительно принял орбиту цели. Постепенно преследователь приближается к цели, пока не смогут быть начаты операции по сближению (см. ниже). В самой последней фазе скорость сближения уменьшается за счет использования системы управления реакцией активного корабля . Стыковка обычно происходит со скоростью от 0,1 фута/с (0,030 м/с) до 0,2 фута/с (0,061 м/с). [22]
Космическая встреча активного или «преследующего» космического корабля с (предполагаемым) пассивным космическим кораблем может быть разделена на несколько фаз и обычно начинается с двух космических кораблей на отдельных орбитах, как правило, разделенных более чем 10 000 километров (6 200 миль): [23]
Для осуществления поступательных и вращательных маневров, необходимых для операций сближения и стыковки, могут использоваться различные методы . [25]
Два наиболее распространенных метода подхода для операций сближения — по линии траектории полета космического корабля (называемый V-образным, так как он проходит вдоль вектора скорости цели) и перпендикулярно траектории полета вдоль линии радиуса орбиты (называемый R-образным, так как он проходит вдоль радиального вектора цели по отношению к Земле). [23] Выбранный метод подхода зависит от безопасности, конструкции космического корабля/двигателя, графика миссии и, особенно для стыковки с МКС, от местоположения назначенного стыковочного порта.
Подход V-образной траектории — это подход «преследователя» горизонтально вдоль вектора скорости пассивного космического аппарата. То есть, сзади или спереди и в том же направлении, что и орбитальное движение пассивной цели. Движение параллельно орбитальной скорости цели. [23] [26] При подходе V-образной траектории сзади преследователь запускает небольшие двигатели, чтобы увеличить свою скорость в направлении цели. Это, конечно, также переводит преследователь на более высокую орбиту. Чтобы удерживать преследователь на векторе V, другие двигатели запускаются в радиальном направлении. Если это пропустить (например, из-за отказа двигателя), преследователь будет перенесен 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 естественным эффектом торможения и является естественной защитой в случае отказа двигателя. [ необходима цитата ]
STS-104 был третьей миссией Space Shuttle , которая выполнила прибытие на Международную космическую станцию по V-образной траектории . [27] V-образная траектория, или вектор скорости , простирается вдоль линии, проходящей прямо перед станцией. Шаттлы приближаются к МКС по V-образной траектории при стыковке к стыковочному порту PMA-2 . [28]
Подход R-bar заключается в том, что преследователь движется ниже или выше целевого космического корабля вдоль его радиального вектора. Движение ортогонально орбитальной скорости пассивного космического корабля. [23] [26] Находясь ниже цели, преследователь включает радиальные двигатели, чтобы приблизиться к цели. Тем самым он увеличивает свою высоту. Однако орбитальная скорость преследователя остается неизменной (включение двигателей в радиальном направлении не влияет на орбитальную скорость). Теперь, находясь немного выше, но с орбитальной скоростью, которая не соответствует локальной круговой скорости, преследователь немного отстает от цели. Небольшие импульсы ракеты в направлении орбитальной скорости необходимы для удержания преследователя вдоль радиального вектора цели. Если эти импульсы ракеты не выполняются (например, из-за отказа двигателя), преследователь будет удаляться от цели. Это естественный эффект торможения . Для подхода R-bar этот эффект сильнее, чем для подхода V-bar, что делает подход R-bar более безопасным из двух. [ необходима цитата ] Как правило, подход R-bar снизу предпочтительнее, так как преследователь находится на более низкой (быстрой) орбите, чем цель, и, таким образом, «догоняет» ее. При подходе R-bar сверху преследователь находится на более высокой (медленной) орбите, чем цель, и, таким образом, должен ждать, пока цель приблизится к нему. [ необходима цитата ]
Astrotech предложила удовлетворить потребности МКС в грузах с помощью транспортного средства, которое будет приближаться к станции, «используя традиционный подход с использованием надирной R-образной штанги». [29] Подход с использованием надирной R-образной штанги также используется для полетов к МКС транспортных транспортных средств H-II и космических аппаратов SpaceX Dragon . [30] [31]
Подход активного или «преследующего» космического аппарата горизонтально сбоку и ортогонально к плоскости орбиты пассивного космического аппарата, то есть сбоку и вне плоскости орбиты пассивного космического аппарата, называется подходом по Z-образной траектории. [32]
«Аполлон-12» , второй пилотируемый аппарат , совершивший посадку на Луну , осуществил первую в истории встречу за пределами низкой околоземной орбиты , приземлившись вблизи аппарата «Сервейер-3» и доставив его части обратно на Землю.
Большинство наблюдателей считали, что высадка США на Луну завершила космическую гонку решительной победой Америки. […] Формальное завершение космической гонки произошло с совместной миссией «Аполлон» и «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.