Стыковка и стыковка космических кораблей — это стыковка двух космических кораблей . Это соединение может быть временным или частично постоянным, например, для модулей космической станции.
В частности, под стыковкой понимается соединение двух отдельных свободно летающих космических аппаратов. [1] [2] [3] [4] Причаливание относится к операциям стыковки, при которых пассивный модуль/транспортное средство помещается в стыковочный интерфейс другого космического аппарата с помощью роботизированной руки . [1] [3] [4] Поскольку современный процесс отчаливания требует большего количества рабочей силы экипажа и отнимает много времени, причальные операции не подходят для быстрой эвакуации экипажа в случае чрезвычайной ситуации. [5]
Возможность стыковки космических кораблей зависит от сближения в космосе , способности двух космических кораблей найти друг друга и удерживаться на одной орбите . Впервые он был разработан Соединенными Штатами для проекта «Джемини» . Экипаж Gemini 6 планировалось встретиться и вручную состыковаться под командованием Уолли Ширры с беспилотной машиной Agena Target в октябре 1965 года, но машина Agena взорвалась во время запуска. В рамках пересмотренной миссии «Джемини 6А» Ширра в декабре 1965 года успешно выполнил сближение с пилотируемым «Джемини-7» , приблизившись на расстояние 0,3 метра (1 фут), но между двумя космическими кораблями «Джемини» не было возможности стыковаться. Первая стыковка с «Адженой» была успешно выполнена под командованием Нила Армстронга на корабле «Джемини-8» 16 марта 1966 года. Ручные стыковки были выполнены в трех последующих миссиях «Джемини» в 1966 году.
Программа «Аполлон» зависела от встречи на лунной орбите для достижения своей цели по высадке людей на Луну. Для этого сначала потребовались маневры перемещения, стыковки и извлечения между материнским космическим кораблем командно-служебного модуля (CSM) «Аполлон» и посадочным космическим кораблем лунного модуля (LM), вскоре после того, как оба корабля были отправлены с околоземной орбиты на пути к Луне. Затем, после завершения миссии по высадке на Луну, двум астронавтам LM пришлось встретиться и состыковаться с CSM на лунной орбите, чтобы иметь возможность вернуться на Землю. Космический корабль был спроектирован так, чтобы обеспечить возможность перемещения экипажа внутри корабля 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 корабле «Аполлон-9» , затем на лунной орбите в мае 1969 года на корабле «Аполлон-10» , затем в шести лунных миссиях по высадке, а также на корабле «Аполлон-13» , где LM использовался в качестве спасательный аппарат вместо совершения посадки на Луну.
В отличие от США, которые использовали ручную пилотируемую стыковку в программах «Аполлон», «Скайлэб» и «Спейс Шаттл» , Советский Союз использовал автоматизированные системы стыковки с самого начала своих попыток стыковки. Первая такая система, «Игла» , была успешно испытана 30 октября 1967 года, когда два беспилотных испытательных корабля «Союз» «Космос-186» и «Космос-188» автоматически состыковались 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; попытка стыковки не увенчалась успехом. Первая стыковка экипажа состоялась 16 января 1969 года между кораблями «Союз-4» и «Союз-5» . [8] Эта ранняя версия космического корабля «Союз» не имела внутреннего переходного туннеля, но два космонавта совершили переход в открытом космосе с «Союза-5» на «Союз-4», приземлившись на другом космическом корабле, чем они стартовали. [9]
В 1970-х годах Советский Союз модернизировал космический корабль «Союз», добавив внутренний переходной туннель, и использовал его для перевозки космонавтов во время программы космической станции «Салют» , причем первый успешный визит на космическую станцию начался 7 июня 1971 года, когда «Союз-11» пристыковался к «Салюту-1» . Соединенные Штаты последовали этому 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 различные стыковочные системы и атмосфера космического корабля.
Начиная с «Салюта-6» в 1978 году, Советский Союз начал использовать беспилотный грузовой космический корабль «Прогресс» для пополнения запасов своих космических станций на низкой околоземной орбите, что значительно увеличило продолжительность пребывания экипажа. Будучи беспилотным космическим кораблем, «Прогресс» полностью автоматически сближался и состыковывался с космическими станциями. В 1986 году на корабле «Союз» стыковочная система «Игла» была заменена обновленной системой «Курс» . 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 кораблей можно проследить, по крайней мере, еще до швартовки полезной нагрузки в отсек полезной нагрузки космического корабля "Шаттл". [10] Такая полезная нагрузка может представлять собой либо свободно летающий космический корабль, захваченный для обслуживания/возврата, либо полезную нагрузку, временно подвергающуюся воздействию космической среды в конце системы дистанционного манипулятора . В эпоху космических шаттлов использовалось несколько различных механизмов причаливания. Некоторые из них представляли собой элементы отсека полезной нагрузки (например, узел защелки удержания полезной нагрузки), тогда как другие представляли собой бортовое вспомогательное оборудование (например, структуру поддержки полета, используемую для миссий по обслуживанию HST ).
Системы стыковки/причаливания могут быть андрогинными ( негендерными ) или неандрогинными ( гендерными ), что указывает на то, какие части системы могут соединяться друг с другом.
Все ранние системы стыковки космических кораблей представляли собой неандрогинные конструкции стыковочных систем. Неандрогинные конструкции представляют собой форму спаривания полов [2] , при которой каждый соединяемый космический корабль имеет уникальный дизайн (мужской или женский) и определенную роль, которую он играет в процессе стыковки. Роли нельзя поменять местами. Более того, два космических корабля одного пола вообще не могут быть соединены.
Андрогинная стыковка (а позже и андрогинная швартовка), напротив, имеет идентичный интерфейс на обоих космических кораблях. В андрогинном интерфейсе есть единый дизайн, который может подключаться к самому себе. Это обеспечивает резервирование на уровне системы (переключение ролей), а также спасение и сотрудничество между любыми двумя космическими кораблями. Это также обеспечивает более гибкую структуру миссий и сокращает количество уникального анализа и обучения миссий. [2]
Стыковочный или причальный адаптер — это механическое или электромеханическое устройство, облегчающее подключение одного типа стыковочного или причального интерфейса к другому интерфейсу. Хотя теоретически такие интерфейсы могут быть стыковочными, стыковочными, стыковочными или стыковочными, на сегодняшний день в космосе развернуты только первые два типа. Ниже перечислены ранее выпущенные и планируемые к выпуску адаптеры:
В течение первых пятидесяти лет космических полетов основной целью большинства миссий по стыковке и швартовке была переброска экипажа, строительство или пополнение запасов космической станции или проверка такой миссии (например, стыковка между «Космосом-186» и «Космосом-188 »). Таким образом, обычно по крайней мере один из участвующих космических кораблей был укомплектован экипажем, 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» «Прогресс 23» на беспилотный «Салют-7» или «Прогресс М1-5» на беспилотный «Мир» ). Другим исключением были несколько миссий американских космических кораблей с экипажем , например, причаливание космического телескопа Хаббл (HST) во время пяти миссий по обслуживанию HST. Японская миссия ETS-VII (названная «Хикобоси» и «Орихиме» ) в 1997 году была разработана для проверки беспилотных сближений и стыковок, но запущена как один космический корабль, который отделился, чтобы снова соединиться.
Изменения в пилотируемом аспекте начались в 2015 году, когда было запланировано несколько экономически обоснованных коммерческих стыковок беспилотных космических кораблей. В 2011 году два поставщика коммерческих космических аппаратов [ какие? ] объявил о планах предоставить автономные / телеуправляемые беспилотные космические корабли снабжения для обслуживания других беспилотных космических кораблей. Примечательно, что оба этих обслуживающих космических корабля намеревались состыковаться со спутниками, которые не были предназначены ни для стыковки, ни для обслуживания в космосе.
Ранняя бизнес-модель этих услуг была в основном на окологеостационной орбите , хотя также предусматривались крупные услуги по маневрированию на дельта- орбитальной орбите. [38]
Опираясь на миссию «Орбитальный экспресс» 2007 года — спонсируемую правительством США миссию по тестированию обслуживания спутников в космосе с использованием двух аппаратов, спроектированных с нуля для дозаправки на орбите и замены подсистем — две компании объявили о планах коммерческих миссий по обслуживанию спутников, которые потребуется стыковка двух беспилотных аппаратов.
Транспортные средства SIS и MEV планировали использовать разные методы стыковки. SIS планировала использовать кольцевое крепление вокруг ударного двигателя [42], в то время как в Mission Extension Vehicle будет использоваться несколько более стандартный подход «вставка зонда в сопло ударного двигателя». [38]
Известным космическим кораблем, получившим механизм беспилотной стыковки, является космический телескоп «Хаббл» (HST). В 2009 году шаттл STS-125 добавил механизм мягкого захвата (SCM) в кормовую переборку космического телескопа. SCM предназначен для стыковок без давления и будет использоваться в конце срока службы Хаббла для стыковки беспилотного космического корабля для схода Хаббла с орбиты. Используемый SCM был разработан с учетом совместимости с интерфейсом стыковочной системы НАСА (NDS), чтобы зарезервировать возможность выполнения миссии по обслуживанию. [43] SCM, по сравнению с системой, использовавшейся во время пяти миссий по обслуживанию HST для захвата и причаливания HST к космическому шаттлу, [ нужна цитация ] значительно уменьшит сложность проектирования сближения и захвата, связанную с такими миссиями. NDS имеет некоторое сходство с механизмом APAS-95, но не совместим с ним. [44]
Иногда может оказаться желательной стыковка с космическим кораблем (или другим искусственным космическим объектом), не имеющим работоспособной системы ориентации, либо для его спасения, либо для инициирования управляемого схода с орбиты . На данный момент предложены некоторые теоретические методы стыковки с невзаимодействующими космическими кораблями. [45] Тем не менее, за единственным 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 осуществлялись с использованием аппаратов, на которых оба задействованных космических корабля находились под пилотируемое, автономное или телероботизированное управление ориентацией . [45] Однако в 2007 году была проведена демонстрационная миссия, которая включала первоначальное испытание невзаимодействующего космического корабля, захваченного управляемым космическим кораблем с использованием роботизированной руки. [46] Исследования и моделирование продолжают поддерживать дополнительные автономные миссии по захвату без сотрудничества в ближайшие годы. [47] [48]
«Салют-7» , десятая запущенная космическая станция, и «Союз Т-13» были состыкованы, что автор Дэвид С.Ф. Портри называет «одним из самых впечатляющих достижений космического ремонта в истории». [14] Слежение за Солнцем не удалось, и из-за сбоя телеметрии станция не сообщила о сбое в центр управления полетом во время автономного полета. Когда на станции иссякли запасы электроэнергии, в феврале 1985 года она внезапно прекратила связь. График работы экипажа был прерван, чтобы дать возможность советскому военачальнику Владимиру Джанибекову [49] и бортинженеру-технику Виктору Савиных [50] провести аварийный ремонт.
Автоматическими системами сближения и стыковки были оснащены все советские и российские космические станции: от первой космической станции «Салют-1» с использованием системы «Игла» до российского орбитального сегмента Международной космической станции с использованием системы «Курс» . Экипаж «Союза» обнаружил, что станция не передает радар или телеметрию для встречи, а после прибытия и внешнего осмотра падающей станции экипаж оценил близость с помощью портативных лазерных дальномеров.
Джанибеков пилотировал свой корабль на перехват переднего порта «Салюта-7», совпал с вращением станции и осуществил мягкую стыковку со станцией. Достигнув жесткого причала, они подтвердили, что электрическая система станции отключена. Прежде чем открыть люк, Джанибеков и Савиных проверили состояние атмосферы станции и сочли его удовлетворительным. Одетые в зимнюю одежду на меховой подкладке, они вошли в холодильную станцию для проведения ремонта. В течение недели было восстановлено достаточное количество систем, чтобы позволить грузовым кораблям-роботам пристыковаться к станции. Прошло почти два месяца, прежде чем атмосферные условия на космической станции нормализовались. [14]
Были теоретически выработаны методы некооперативного сближения и захвата, и одна миссия была успешно выполнена с использованием беспилотного космического корабля на орбите. [46]
Типичный подход к решению этой проблемы включает два этапа. Сначала к космическому кораблю-«преследователю» вносятся изменения в положении и орбите до тех пор, пока он не достигнет нулевого относительного движения с «целевым» космическим кораблем. Во-вторых, начинаются стыковочные маневры, аналогичные традиционной совместной стыковке космических кораблей. Предполагается стандартизированный стыковочный интерфейс на каждом космическом корабле. [51]
НАСА определило автоматизированное и автономное сближение и стыковку — способность двух космических кораблей сближаться и стыковаться, «работая независимо от человеческих диспетчеров и без другой поддержки, [и для этого требуются технологии] достижения в области датчиков, программного обеспечения и позиционирования на орбите в реальном времени ». и управление полетом , среди других проблем» — как критически важную технологию для «окончательного успеха таких возможностей, как хранение и дозаправка топлива на орбите », а также для сложных операций по сборке компонентов миссий для межпланетных пунктов назначения. [52]
Автоматизированная/автономная машина рандеву и стыковки (ARDV) — это предлагаемая миссия НАСА по демонстрации флагманских технологий (FTD), полет которой запланирован на 2014/2015 год. Важной целью НАСА в предлагаемой миссии является развитие технологии и демонстрация автоматизированного сближения и стыковки. Одним из элементов миссии, определенных в анализе 2010 года, была разработка лазерного бесконтактного датчика операций, который можно было бы использовать для несотрудничающих транспортных средств на расстояниях от 1 метра (3 фута 3 дюйма) до 3 километров (2 мили). Некооперативные механизмы стыковки были определены как критически важные элементы успеха таких автономных миссий. [52]
Захват и соединение с невзаимодействующими космическими объектами был определен как главная техническая задача в дорожной карте НАСА по робототехнике, телеробототехнике и автономным системам 2010 года. [53]
Соединение стыковки/причала называется «мягким» или «жестким». Обычно космический корабль сначала инициирует мягкую стыковку, вступая в контакт и фиксируя свой стыковочный разъем с разъемом целевого корабля. После закрепления мягкого соединения, если оба космических корабля находятся под давлением, они могут перейти к жесткому доку , где стыковочные механизмы образуют герметичное уплотнение, позволяющее безопасно открыть внутренние люки для перевозки экипажа и груза.
Стыковка и расстыковка описывают космический корабль с использованием стыковочного узла, без посторонней помощи и своим ходом. Причаливание происходит, когда космический корабль или модуль без двигателя не могут использовать стыковочный порт или требуется помощь для его использования. Эта помощь может исходить от космического корабля, например, когда « Спейс шаттл» использовал свою роботизированную руку, чтобы доставить модули МКС на их постоянные места. Аналогичным образом модуль «Поиск» был постоянно пристыкован к стыковочному узлу после того, как его поставил на место модифицированный космический корабль «Прогресс» , который затем был выброшен. Космический корабль снабжения Cygnus , прибывающий на МКС, не подключается к стыковочному порту , вместо этого он втягивается в причальный механизм с помощью роботизированной руки станции, после чего станция закрывает соединение. Причальный механизм используется только на американском сегменте МКС, российский сегмент МКС использует стыковочные пункты для постоянных причалов.
Стыковка обсуждалась НАСА в отношении марсохода с экипажем , например, с марсианской средой обитания или этапом подъема. [54] Марсианский надводный корабль (и наземные обиталища) будет иметь большой прямоугольный стыковочный люк, примерно 2 на 1 метр (6,6 на 3,3 фута). [54] [ не удалось проверить ]
Стыковка — это когда один приближающийся космический корабль встречается с другим космическим кораблем и летит по контролируемой траектории столкновения таким образом, чтобы выровнять и связать механизмы интерфейса. Механизмы стыковки космического корабля обычно входят в так называемый «мягкий захват», за которым следует фаза ослабления нагрузки, а затем в положение жесткой стыковки, которое устанавливает герметичное структурное соединение между космическими кораблями. Причаливание, напротив, происходит, когда приближающийся космический корабль захватывается роботизированной рукой, а его интерфейсный механизм размещается в непосредственной близости от стационарного интерфейсного механизма. Затем обычно следует процесс захвата, грубое выравнивание и точное выравнивание, а затем прикрепление к конструкции.
Стыковка: соединение или сближение двух отдельных свободно летающих космических аппаратов.
Причаливание относится к операциям стыковки, при которых неактивный модуль/транспортное средство помещается в стыковочный интерфейс с помощью системы удаленного манипулятора-RMS. Стыковка относится к операциям стыковки, при которых активное транспортное средство влетает в стыковочный интерфейс своим ходом.
Туннель имеет диаметр 32 дюйма (0,81 см) и используется для перемещения экипажа между CSM и LM членами экипажа как в герметичных, так и в негерметичных транспортных средствах внекорабельного транспорта (EMU).
Для полетов на космическую станцию «Буран» должен был иметь стыковочный модуль (СМ) в передней части отсека полезной нагрузки. Он представлял собой сферическую часть (диаметром 2,55 м), увенчанную цилиндрическим тоннелем (диаметром 2,2 м) с андрогинным стыковочным узлом АПАС-89 — модифицированной версией системы АПАС-75, разработанной НПО «Энергия» для корабля «Аполлон-1975». Испытательный проект «Союз» (стр. 141). Планировалось, что орбитальный корабль будет запущен без экипажа и долетит до орбитальной станции «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 корабля «Союз» (заводские номера 101, 102, 103) со стыковочными узлами АПАС-89 (стр. 246). Корабль Союз №. В конечном итоге корабль-101 был запущен как Союз ТМ-16 в январе 1993 года, доставив еще один постоянный экипаж (Геннадия Манакова и Александра Полещука) на космическую станцию Мир. Оснащенный стыковочным узлом АПАС-89, это был единственный корабль «Союз», когда-либо стыковавшийся с модулем «Кристалл». "Спасательный" корабль "Союз" №. 102 и 103, которые были лишь частично собраны, 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. Установленный в носовой части отсека полезной нагрузки ODS состоит из внешнего шлюза, несущей ферменной конструкции и стыковочного порта APAS. Если первые два элемента были построены компанией Rockwell, то АПАС был изготовлен РКК «Энергия». Хотя внутреннее обозначение АПАС "Шаттла" в компании "Энергия" - АПАС-95, по сути оно такое же, как АПАС-89 у "Бурана". Хотя ODS была немного модифицирована для полетов шаттла на МКС, APAS осталась неизменной (стр. 380).
«Атлантис» будет нести стыковочный модуль российского производства, который имеет многоцелевые андрогинные стыковочные механизмы сверху и снизу.
Люк PCM очень похож на нынешние люки, используемые на американском сегменте МКС. Однако при 37 дюймах с каждой стороны он несколько меньше 50-дюймового люка МКС.
будет 800-миллиметровый цилиндрический переход, соединяющий Шэньчжоу-8 и Тяньгун-1.
Цзин проплыл через узкий 31-дюймовый проход, ведущий в Тяньгун-1.
ViviSat, новое совместное предприятие US Space и ATK (50 на 50), продает космический корабль-заправщик, который соединяется с целевым космическим кораблем, используя тот же подход «зонд в двигателе», что и MDA, но не передает топливо. . Вместо этого машина становится новым топливным баком, использующим собственные двигатели для управления ориентацией цели. ... Концепция [ViviSat] не так далеко продвинулась, как MDA. ... Помимо продления срока службы спутника, у которого закончилось топливо, компания могла бы также спасти заправленный топливом космический корабль, такой как
AEHF-1,
состыковавшись с ним на его низкой орбите, используя собственный двигатель и топливо для размещения его в нужном положении. орбите, а затем перейдет к другой цели.
MDA планировала вывести свой аппарат обслуживания космической инфраструктуры («SIS») на ближнюю геостационарную орбиту, где он будет обслуживать коммерческие и правительственные спутники, нуждающиеся в дополнительном топливе, перемещении или другом обслуживании. Первая дозаправочная станция должна была быть доступна через 3,5 года после начала этапа строительства. ... Услуги, предоставляемые MDA компании Intelsat в рамках этого соглашения, оцениваются более чем в 280 миллионов долларов США.
Если космический корабль MDA будет работать так, как запланировано, Intelsat заплатит MDA в общей сложности около 200 миллионов долларов. При этом предполагалось, что четырем-пяти спутникам будет выделено около 200 килограммов топлива каждый.
более 40 различных типов заправочных систем... SIS будет иметь на борту достаточно инструментов, чтобы открыть 75 процентов заправочных систем на борту спутников, находящихся сейчас на геостационарной орбите. ... MDA запустит сервис SIS, который встретится и состыкуется со спутником Intelsat, прикрепившись к кольцу вокруг разгонного двигателя спутника. Под руководством наземных команд роботизированная рука SIS протянется через сопло апогейного двигателя, чтобы найти и открутить крышку топливного бака спутника. Транспортное средство SIS повторно закроет крышку топливного бака после подачи согласованного количества топлива, а затем отправится на следующую миссию. ... Ключом к бизнес-модели является способность MDA запускать запасные канистры с топливом, которые будут захватываться SIS и использоваться для дозаправки десятков спутников в течение нескольких лет. Эти контейнеры будут намного легче, чем машина SIS, и, следовательно, их запуск будет намного дешевле.
Одной из наиболее сложных задач обслуживания спутников на орбите является сближение и захват несотрудничающего спутника, такого как падающий спутник.
Большинство текущих исследований и все прошлые миссии направлены на захват только очень сотрудничающих спутников. В будущем нам, возможно, также придется захватывать несотрудничающие спутники, например те, которые падают в космосе или не предназначены для захвата.
Также необходима меньшая по размеру общая система стыковки для роботизированных космических кораблей, чтобы обеспечить возможность AR&D роботизированных космических кораблей в пределах границ захвата этих систем. Сборка больших транспортных средств и ступеней, используемых для исследовательских миссий за пределами НОО, потребует новых механизмов с новыми оболочками захвата, помимо любой стыковочной системы, используемой в настоящее время или находящейся в разработке. Разработка и тестирование автономного роботизированного захвата невзаимодействующих транспортных средств-мишеней, в которых цель не имеет вспомогательных средств захвата, таких как захваты или стыковочные механизмы, необходимы для поддержки обслуживания / спасения спутников.
