Стыковка и причаливание космических аппаратов — это соединение двух космических аппаратов . Это соединение может быть временным или частично постоянным, как для модулей космической станции.
Стыковка конкретно относится к соединению двух отдельных свободно летящих космических аппаратов. [1] [2] [3] [4] Причаливание относится к операциям стыковки, при которых пассивный модуль/аппарат помещается в стыковочный интерфейс другого космического аппарата с помощью роботизированной руки . [1] [3] [4] Поскольку современный процесс расстыковки требует больше труда экипажа и занимает много времени, операции по стыковке не подходят для быстрой эвакуации экипажа в случае чрезвычайной ситуации. [5]
Возможность стыковки космических аппаратов зависит от космической встречи , способности двух космических аппаратов находить друг друга и удерживать станцию на одной орбите . Впервые это было разработано Соединенными Штатами для проекта Gemini . Планировалось, что экипаж Gemini 6 встретится и вручную состыкуется под командованием Уолли Ширры с беспилотным целевым кораблем Agena в октябре 1965 года, но корабль Agena взорвался во время запуска. В пересмотренной миссии Gemini 6A Ширра успешно выполнил встречу в декабре 1965 года с пилотируемым Gemini 7 , приблизившись на расстояние 0,3 метра (1 фут), но возможности стыковки между двумя космическими аппаратами Gemini не было. Первая стыковка с Agena была успешно выполнена под командованием Нила Армстронга на Gemini 8 16 марта 1966 года. Ручные стыковки выполнялись в трех последующих миссиях Gemini в 1966 году.
Программа Apollo зависела от лунной орбитальной встречи для достижения своей цели высадки людей на Луну. Это потребовало сначала перестановки, стыковки и маневра извлечения между материнским космическим кораблем командно-сервисного модуля Apollo (CSM) и посадочным космическим кораблем лунного модуля (LM), вскоре после того, как оба корабля были отправлены с околоземной орбиты на путь к Луне. Затем, после завершения миссии по высадке на Луну, два астронавта в LM должны были встретиться и состыковаться с CSM на лунной орбите, чтобы иметь возможность вернуться на Землю. Космические корабли были спроектированы так, чтобы обеспечить внутрикорабельный переход экипажа через туннель между носовой частью командного модуля и крышей лунного модуля. Эти маневры были впервые продемонстрированы на низкой околоземной орбите 7 марта 1969 года на Apollo 9 , затем на лунной орбите в мае 1969 года на Apollo 10 , затем в шести лунных миссиях по высадке, а также на Apollo 13 , где LM использовался в качестве спасательного транспортного средства вместо совершения лунной посадки.
В отличие от Соединенных Штатов, которые использовали ручную пилотируемую стыковку в программах Apollo, Skylab и Space Shuttle , Советский Союз использовал автоматизированные системы стыковки с самого начала своих попыток стыковки. Первая такая система, Igla , была успешно испытана 30 октября 1967 года, когда два беспилотных испытательных корабля «Союз» — Kosmos 186 и Kosmos 188 — состыковались автоматически на орбите. [6] [7] Это была первая успешная советская стыковка. Переходя к попыткам стыковки с экипажем, Советский Союз впервые добился сближения «Союза-3» с беспилотным кораблем «Союз-2» 25 октября 1968 года; стыковка была неудачной. Первая стыковка с экипажем была осуществлена 16 января 1969 года между «Союзом-4» и «Союзом-5» . [8] Эта ранняя версия космического корабля «Союз» не имела внутреннего переходного туннеля, но два космонавта совершили внекорабельный переход из «Союза-5» в «Союз-4», приземлившись в другом космическом корабле, нежели тот, в котором они были запущены. [9]
В 1970-х годах Советский Союз модернизировал космический корабль «Союз», добавив внутренний переходный туннель, и использовал его для перевозки космонавтов во время программы космической станции «Салют» , причем первый успешный визит на космическую станцию состоялся 7 июня 1971 года, когда «Союз-11» пристыковался к «Салюту-1» . Соединенные Штаты последовали примеру, пристыковав свой космический корабль «Аполлон» к космической станции «Скайлэб» в мае 1973 года. В июле 1975 года две страны сотрудничали в испытательном проекте «Аполлон-Союз» , состыковав космический корабль «Аполлон» с «Союзом», используя специально разработанный стыковочный модуль для размещения различных систем стыковки и атмосфер космических кораблей.
Начиная с «Салюта-6» в 1978 году, Советский Союз начал использовать беспилотный грузовой космический корабль «Прогресс» для снабжения своих космических станций на низкой околоземной орбите, что значительно увеличило продолжительность пребывания экипажа. Будучи беспилотным космическим кораблем, «Прогресс» сближался и стыковался с космическими станциями полностью автоматически. В 1986 году стыковочная система «Игла» была заменена обновленной системой «Курс» на космическом корабле «Союз». Космический корабль «Прогресс» получил такую же модернизацию несколько лет спустя. [6] : 7 Система «Курс» до сих пор используется для стыковки с российским орбитальным сегментом Международной космической станции .
.jpg/1280px-HST_Flight_Support_Structure_(STS-109).jpg)
Причаливание космических аппаратов можно проследить, по крайней мере, до причаливания полезных грузов в грузовом отсеке Space Shuttle. [10] Такими полезными грузами могли быть как свободно летящие космические аппараты, захваченные для обслуживания/возврата, так и полезные грузы, временно подвергавшиеся воздействию космической среды в конце работы системы дистанционного манипулятора . Несколько различных механизмов причаливания использовались в эпоху Space Shuttle. Некоторые из них были особенностями отсека полезной нагрузки (например, узел защелки удержания полезной нагрузки), в то время как другие были бортовым вспомогательным оборудованием (например, конструкция поддержки полета, используемая для миссий по обслуживанию HST ).
Системы стыковки/швартовки могут быть как андрогинными ( не имеющими гендера ), так и неандрогинными ( имеющими гендер ), что указывает на то, какие части системы могут соединяться друг с другом.
Ранние системы для соединения космических аппаратов были неандрогинными конструкциями стыковочных систем. Неандрогинные конструкции являются формой спаривания полов [2] , где каждый космический аппарат, который должен быть соединен, имеет уникальный дизайн (мужской или женский) и определенную роль в процессе стыковки. Роли не могут быть изменены. Более того, два космических аппарата одного пола вообще не могут быть соединены.
Андрогинная стыковка (и позднее андрогинное причаливание) напротив имеет идентичный интерфейс на обоих космических кораблях. В андрогинном интерфейсе есть единая конструкция, которая может подключаться к дубликату самой себя. Это обеспечивает избыточность на уровне системы (изменение ролей), а также спасение и сотрудничество между любыми двумя космическими кораблями. Это также обеспечивает более гибкую разработку миссии и сокращает уникальный анализ миссии и обучение. [2]
Адаптер стыковки или причаливания — это механическое или электромеханическое устройство, которое облегчает подключение одного типа интерфейса стыковки или причаливания к другому интерфейсу. Хотя такие интерфейсы теоретически могут быть стыковочными/стыковочными, стыковочными/причаливающими или причаливающими/причаливающими, на сегодняшний день в космосе были развернуты только первые два типа. Ранее запущенные и планируемые к запуску адаптеры перечислены ниже:
В течение первых пятидесяти лет космических полетов основной целью большинства миссий по стыковке и причаливанию была передача экипажа, строительство или пополнение запасов космической станции или тестирование для такой миссии (например, стыковка между Космосом 186 и Космосом 188 ). Поэтому обычно по крайней мере один из участвующих космических кораблей был пилотируемым, а целью был герметичный обитаемый объем (например, космическая станция или лунный посадочный модуль) — исключениями были несколько полностью беспилотных советских стыковочных миссий (например, стыковки Космоса 1443 и Прогресса 23 с беспилотным Салютом 7 или Прогресса М1-5 с беспилотным Миром ). Другим исключением были несколько миссий пилотируемых американских космических челноков , таких как стыковки космического телескопа Хаббл (HST) во время пяти миссий по обслуживанию HST. Японская миссия ETS-VII (под названиями «Хикобоси» и «Орихиме» ) в 1997 году была разработана для испытания беспилотного сближения и стыковки, но была запущена как один космический корабль, который разделялся, чтобы снова объединиться.
Изменения в пилотируемом аспекте начались в 2015 году, когда было запланировано несколько экономически обоснованных коммерческих стыковок беспилотных космических аппаратов. В 2011 году два коммерческих поставщика космических аппаратов [ какие? ] объявили о планах предоставить автономные / телеуправляемые беспилотные космические аппараты снабжения для обслуживания других беспилотных космических аппаратов. Примечательно, что оба этих обслуживающих космических аппарата намеревались стыковаться со спутниками, которые не были предназначены ни для стыковки, ни для обслуживания в космосе.
Ранняя бизнес-модель для этих услуг была в основном на окологеосинхронной орбите , хотя также предусматривались крупные услуги по орбитальному маневрированию дельта-v . [38]
Продолжая миссию Orbital Express 2007 года — спонсируемую правительством США миссию по испытанию обслуживания спутников в космосе с использованием двух аппаратов, изначально разработанных для дозаправки на орбите и замены подсистем, — две компании объявили о планах коммерческих миссий по обслуживанию спутников, которые потребуют стыковки двух беспилотных аппаратов.
Транспортные средства SIS и MEV планировали использовать разные методы стыковки. SIS планировал использовать кольцевое крепление вокруг ударного двигателя [42] , в то время как Mission Extension Vehicle использовал бы несколько более стандартный подход «вставить зонд в сопло ударного двигателя». [38]
Известным космическим аппаратом, получившим механизм для беспилотной стыковки, является космический телескоп Хаббл (HST). В 2009 году миссия шаттла STS-125 добавила механизм мягкого захвата (SCM) на кормовой переборке космического телескопа. SCM предназначен для негерметичных стыковок и будет использоваться в конце срока службы Хаббла для стыковки беспилотного космического корабля для схода с орбиты Хаббла. Используемый SCM был разработан с учетом совместимости с интерфейсом системы стыковки NASA (NDS), чтобы зарезервировать возможность миссии по обслуживанию. [43] SCM, по сравнению с системой, используемой во время пяти миссий по обслуживанию HST для захвата и причаливания HST к космическому челноку, [ требуется ссылка ] значительно сократит сложности проектирования сближения и захвата, связанные с такими миссиями. NDS имеет некоторое сходство с механизмом APAS-95, но несовместим с ним. [44]
Стыковка с космическим кораблем (или другим созданным человеком космическим объектом), не имеющим работоспособной системы управления ориентацией, иногда может быть желательной, либо для его спасения, либо для начала управляемого схода с орбиты . На данный момент были предложены некоторые теоретические методы стыковки с некооперативными космическими кораблями. [45] Тем не менее, за исключением миссии «Союз Т-13» по спасению поврежденной космической станции «Салют-7» , по состоянию на 2006 год [update]все стыковки космических кораблей за первые пятьдесят лет космических полетов выполнялись с помощью транспортных средств, в которых оба задействованных космических корабля находились под пилотируемым, автономным или телероботизированным управлением ориентацией . [45] Однако в 2007 году был запущен демонстрационный полет, который включал первоначальное испытание некооперативного космического корабля, захваченного управляемым космическим кораблем с использованием роботизированной руки. [46] Исследования и работа по моделированию продолжают поддерживать дополнительные автономные некооперативные миссии захвата в ближайшие годы. [47] [48]
«Салют-7» , десятая запущенная космическая станция, и «Союз Т-13» были состыкованы в ходе того, что автор Дэвид С. Ф. Портри описывает как «один из самых впечатляющих подвигов ремонта в космосе в истории». [14] Отслеживание Солнца вышло из строя, и из-за сбоя телеметрии станция не сообщила об этом в центр управления полетом во время автономного полета. Как только у станции закончились запасы электроэнергии, она внезапно прекратила связь в феврале 1985 года. Планирование экипажа было прервано, чтобы позволить советскому военному командиру Владимиру Джанибекову [49] и бортинженеру по техническим наукам Виктору Савиных [50] провести экстренный ремонт.
Все советские и российские космические станции были оснащены автоматическими системами сближения и стыковки, от первой космической станции Салют-1 с системой ИГЛА до российского орбитального сегмента Международной космической станции с системой Курс . Экипаж «Союза» обнаружил, что станция не транслирует радиолокационные или телеметрические данные для сближения, и после прибытия и внешнего осмотра кувыркающейся станции экипаж оценил близость с помощью ручных лазерных дальномеров.
Джанибеков пилотировал свой корабль, чтобы перехватить передний порт Салюта-7, совпал с вращением станции и выполнил мягкую стыковку со станцией. После выполнения жесткой стыковки они подтвердили, что электрическая система станции отключена. Перед тем, как открыть люк, Джанибеков и Савиных проверили состояние атмосферы станции и нашли его удовлетворительным. Одетые в зимнюю меховую одежду, они вошли в холодную станцию, чтобы провести ремонт. В течение недели было восстановлено достаточно систем, чтобы позволить грузовым кораблям-роботам состыковаться со станцией. Прошло почти два месяца, прежде чем атмосферные условия на космической станции нормализовались. [14]
Были разработаны теории некооперативных методов сближения и захвата, и одна миссия была успешно выполнена с беспилотным космическим аппаратом на орбите. [46]
Типичный подход к решению этой проблемы включает два этапа. Во-первых, ориентация и орбитальные изменения вносятся в космический корабль-"преследователь" до тех пор, пока он не достигнет нулевого относительного движения с космическим кораблем-"целью". Во-вторых, начинаются стыковочные маневры, которые похожи на традиционную кооперативную стыковку космических кораблей. Предполагается стандартизированный интерфейс стыковки на каждом космическом корабле. [51]
НАСА определило автоматизированную и автономную систему сближения и стыковки — способность двух космических аппаратов сближаться и стыковаться «независимо от людей-контролеров и без какой-либо поддержки, [и которая требует технологических] достижений в датчиках, программном обеспечении и позиционировании на орбите в реальном времени и управлении полетом , среди прочих задач» — как критически важную технологию для «конечного успеха таких возможностей, как хранение и дозаправка топлива на орбите », а также для сложных операций по сборке компонентов миссии для межпланетных пунктов назначения. [52]
Автоматизированный/автономный аппарат для сближения и стыковки (ARDV) — это предлагаемая миссия NASA Flagship Technology Demonstration (FTD), запуск которой запланирован на 2014/2015 год. Важной целью NASA в предлагаемой миссии является развитие технологии и демонстрация автоматизированного сближения и стыковки. Одним из элементов миссии, определенных в анализе 2010 года, была разработка лазерного датчика операций сближения, который можно было бы использовать для некооперативных аппаратов на расстоянии от 1 метра (3 фута 3 дюйма) до 3 километров (2 мили). Некооперативные механизмы стыковки были определены как критически важные элементы миссии для успеха таких автономных миссий. [52]
В дорожной карте NASA 2010 года по робототехнике, телеробототехнике и автономным системам захват и подключение к несотрудничающим космическим объектам были определены как главная техническая задача. [53]
Стыковочное/швартовочное соединение называют либо «мягким», либо «жестким». Обычно космический корабль сначала инициирует мягкую стыковку , устанавливая контакт и защелкивая свой стыковочный разъем с разъемом целевого корабля. После того, как мягкое соединение закреплено, если оба космических корабля находятся под давлением, они могут перейти к жесткой стыковке , где стыковочные механизмы образуют герметичное уплотнение, позволяя безопасно открывать внутренние люки для перемещения экипажа и груза.
Стыковка и расстыковка описывают космические корабли, использующие стыковочный порт, без посторонней помощи и на собственном ходу. Пристыковка происходит, когда космический корабль или обесточенный модуль не может использовать стыковочный порт или нуждается в помощи для его использования. Эта помощь может исходить от космического корабля, например, когда Space Shuttle использовал свой роботизированный манипулятор, чтобы задвинуть модули МКС в их постоянные стоянки. Аналогичным образом модуль Poisk был постоянно пристыкован к стыковочному порту после того, как его втолкнул на место модифицированный космический корабль Progress, который затем был сброшен. Космический корабль снабжения Cygnus , прибывающий на МКС, не присоединяется к стыковочному порту , вместо этого он втягивается в механизм причаливания роботизированным манипулятором станции, а затем станция закрывает соединение. Механизм причаливания используется только на американском сегменте МКС, российский сегмент МКС использует стыковочные порты для постоянных стоянок.
Стыковка обсуждалась NASA в отношении марсохода Crewed Mars , например, с марсианской средой обитания или подъемной ступенью. [54] Марсианский поверхностный аппарат (и поверхностные среды обитания) будет иметь большой прямоугольный стыковочный люк, примерно 2 на 1 метр (6,6 на 3,3 фута). [54] [ проверка не удалась ]
Стыковка — это когда один входящий космический корабль встречается с другим космическим кораблем и летит по контролируемой траектории столкновения таким образом, чтобы выровнять и зацепить механизмы интерфейса. Механизмы стыковки космического корабля обычно входят в то, что называется мягким захватом, за которым следует фаза ослабления нагрузки, а затем положение жесткой стыковки, которое устанавливает герметичное структурное соединение между космическими кораблями. Причаливание, напротив, происходит, когда входящий космический корабль захватывается роботизированной рукой, а его механизм интерфейса размещается в непосредственной близости от стационарного механизма интерфейса. Затем обычно происходит процесс захвата, грубое выравнивание и точное выравнивание, а затем структурное присоединение.
: соединение или сближение двух отдельных свободно летящих космических аппаратов.
{{cite web}}: CS1 maint: url-status (link)относится к операциям стыковки, при которых неактивный модуль/транспортное средство помещается в интерфейс стыковки с помощью системы удаленного манипулятора RMS. Стыковка относится к операциям стыковки, при которых активное транспортное средство влетает в интерфейс стыковки на своей собственной тяге.
туннеля составляет 32 дюйма (0,81 см), он используется для перемещения экипажа между CSM и LM членами экипажа в герметичных или негерметичных модулях для выхода в открытый космос (EMU).
Для миссий на космической станции «Буран» должен был нести стыковочный модуль (СМ) в передней части грузового отсека. Он состоял из сферической секции (диаметром 2,55 м), увенчанной цилиндрическим туннелем (диаметром 2,2 м) с андрогинным стыковочным узлом АПАС-89, модифицированной версией системы АПАС-75, разработанной НПО «Энергия» для испытательного проекта «Аполлон-Союз» 1975 года (стр. 141). Планировалось, что орбитальный корабль будет запущен без экипажа и полетит на космическую станцию «Мир», где он состыкуется с осевым стыковочным узлом АПАС-89 модуля «Кристалл» (стр. 246). В конце 1980-х годов НПО «Энергия» было поручено построить три космических корабля «Союз» (заводские номера 101, 102, 103) со стыковочными узлами АПАС-89 (стр. 246). Корабль «Союз» № 101 был в конечном итоге запущен как Союз ТМ-16 в январе 1993 года, доставив еще один местный экипаж (Геннадий Манаков и Александр Полещук) на космическую станцию Мир. Оснащенный стыковочным узлом APAS-89, он был единственным кораблем «Союз», когда-либо стыковавшимся с модулем «Кристалл». «Спасательные» корабли «Союз» № 102 и 103, которые были собраны лишь частично, были модифицированы как обычные космические корабли «Союз ТМ» со стандартными механизмами стыковки зондов и получили новые серийные номера (стр. 249). В июле 1992 года НАСА инициировало разработку Системы стыковки орбитального корабля (ODS) для поддержки полетов шаттлов на «Мир». Установленная в передней части грузового отсека, ODS состоит из внешнего шлюза, опорной ферменной конструкции и стыковочного узла APAS. В то время как первые два элемента были построены Rockwell, APAS был изготовлен РКК «Энергия». Хотя внутреннее обозначение Энергии для APAS Шаттла — APAS-95, по сути, это то же самое, что и APAS-89 Бурана. В то время как ODS была немного изменена для миссий Шаттла на МКС, APAS осталась неизменной (стр. 380).
Atlantis будет нести стыковочный модуль российского производства, который имеет многоцелевые андрогинные стыковочные механизмы сверху и снизу.
Люк PCM имеет сильное сходство с нынешними люками, используемыми на американском сегменте МКС. Однако, имея 37 дюймов с каждой стороны, он несколько меньше 50-дюймового люка МКС.
будет 800-миллиметровый цилиндрический проход, соединяющий Shenzhou-8 и Tiangong-1.
проплыл через узкий 31-дюймовый проход, ведущий в Tiangong 1
, новое совместное предприятие US Space и ATK с равным участием 50/50, продвигает на рынок космический аппарат для дозаправки спутников, который подключается к целевому космическому аппарату с использованием того же подхода «зонд в толкающем двигателе», что и MDA, но не перекачивает свое топливо. Вместо этого аппарат становится новым топливным баком, используя собственные двигатели для управления ориентацией цели. ... концепция [ViviSat] не так продвинута, как MDA. ... Помимо продления срока службы спутника, у которого закончилось топливо, компания также могла бы спасать заправленные космические аппараты, такие как
AEHF-1
, состыковываясь с ним на его низкой орбите, используя собственный двигатель и топливо для его размещения на нужной орбите, а затем перемещаясь к другой цели.
планировала запустить свой аппарат Space Infrastructure Servicing («SIS») на окологеосинхронную орбиту, где он будет обслуживать коммерческие и правительственные спутники, нуждающиеся в дополнительном топливе, изменении положения или другом обслуживании. Первая миссия по дозаправке должна была быть доступна через 3,5 года после начала фазы сборки. ... Услуги, предоставляемые MDA Intelsat в рамках этого соглашения, оцениваются более чем в 280 миллионов долларов США.
если космический аппарат MDA будет работать так, как планировалось, Intelsat заплатит MDA в общей сложности около 200 миллионов долларов. Это предполагает, что четыре или пять спутников получат около 200 килограммов топлива каждый.
более 40 различных типов систем заправки ... SIS будет нести достаточно инструментов, чтобы открыть 75 процентов систем заправки на борту спутников, которые сейчас находятся на геостационарной орбите. ... MDA запустит сервисное устройство SIS, которое встретится и состыкуется со спутником Intelsat, прикрепившись к кольцу вокруг двигателя апогея спутника. Под управлением наземных групп роботизированная рука SIS протянется через сопло двигателя апогея, чтобы найти и открутить крышку топливного бака спутника. Аппарат SIS снова закроет крышку топливного бака после доставки согласованного количества топлива, а затем отправится на следующую миссию. ... Ключом к бизнес-модели является способность MDA запускать сменные топливные канистры, которые будут захватываться SIS и использоваться для заправки десятков спутников в течение нескольких лет. Эти канистры будут намного легче, чем носитель SIS, и, следовательно, будут намного менее затратными для запуска.
Одной из самых сложных задач при обслуживании спутников на орбите является сближение и захват несотрудничающего спутника, например, падающего спутника.
Большинство текущих исследований и всех прошлых миссий нацелены на захват только очень кооперативных спутников. В будущем нам также может потребоваться захватывать некооперативные спутники, такие как те, которые кувыркаются в космосе или не предназначены для захвата.
Также необходима меньшая общая система стыковки для роботизированных космических аппаратов, чтобы обеспечить роботизированные космические аппараты AR&D в пределах захватных зон этих систем. Сборка больших аппаратов и ступеней, используемых для исследовательских миссий за пределами LEO, потребует новых механизмов с новыми захватными зонами за пределами любой стыковочной системы, которая в настоящее время используется или находится в разработке. Разработка и тестирование автономного роботизированного захвата некооперативных целевых аппаратов, в которых цель не имеет средств захвата, таких как захватные приспособления или стыковочные механизмы, необходимы для поддержки обслуживания/спасательных операций спутников.