Rendezvous im Weltraum

Rendezvous im Weltraum zwischen den Raumschiffen Gemini 6A und Gemini 7

Ein Weltraum-Rendezvous ist in der Raumfahrt eine organisierte Begegnung im Weltraum zwischen Raumfahrzeugen oder zwischen einem Raumfahrzeug und einem Himmelsobjekt [ 1 ] bei null oder sehr niedriger relativer Geschwindigkeit. Wenn es sich um ein Rendezvous zwischen zwei bemannten Raumfahrzeugen handelt und sie aneinander festmachen, kann es zu einer Kommunikation zwischen den unter Druck stehenden Räumen kommen, was die Verfügbarkeit eines wasserdichten Luftschleusensystems erfordert.

Das Weltraum-Rendezvous erfordert die Durchführung komplexer Manöver, die in kürzester Zeit ohne übermäßigen Verbrauch der noch verfügbaren Treibstoffreserve durchgeführt werden müssen. Der Erfolg eines orbitalen Rendezvous hängt insbesondere von der Wahl eines Startfensters für das "Jäger"-Schiff ab, das es ermöglicht, es in einer Umlaufbahn nahe an seinem Ziel zu platzieren, und von einer sehr genauen Berechnung der Positionen und Geschwindigkeiten der beiden Schiffe . Die Entwicklung der orbitalen Rendezvous-Technik erfolgt im Rahmen des Gemini-Programms . Ziel ist es, das für den Erfolg der Missionen des Apollo-Programms notwendige Rendezvous in der Mondumlaufbahn zu ermöglichen.

Das erste Weltraum-Rendezvous wurde durchgeführtvon Astronaut Walter M. Schirra , Kommandant von Gemini 6 , mit der Raumsonde Gemini 7 . Rendezvous und Moorings bildeten nach diesem Datum für die Amerikaner die entscheidende Etappe der Expeditionen zum Mond ( Apollo -Missionen , 1969-1972). Und seit den 1970er Jahren werden sie regelmäßig im Rahmen von Betankungsvorgängen oder Besatzungswechseln auf Raumstationen durchgeführt . Während die Sowjets ein automatisches Rendezvous bevorzugten, das für unbemannte Fahrzeuge anwendbar war, übertrug die NASA die Verantwortung den Besatzungen.

Seit 2011 ist China die dritte Nation, die Rendezvous und das Andocken an Raumstationen organisiert.

Historisch

Kurz nach dem ersten Flug eines Menschen ins All durch Juri Gagarin, die Beamten und Ingenieure der beiden Weltraummächte der damaligen Zeit, der Sowjetunion und der Vereinigten Staaten , stellten fest, dass die Verwirklichung eines ehrgeizigen Weltraumprogramms die Beherrschung der Techniken erforderte, die es zwei Raumfahrzeugen ermöglichten, sich einander zu nähern und festzumachen. Diese Technik wird für die amerikanische Weltraumbehörde NASA besonders wichtig , wenn diese sich dafür entscheidetfür die Mondorbit-Rendezvous- Lösung für sein Apollo-Programm . In diesem Szenario landen zwei der drei Besatzungsmitglieder in einem Spezialschiff, dem Apollo-Mondmodul , auf dem Mondboden und gehen nach Abschluss ihrer Mission an Bord desselben Moduls zurück in die Umlaufbahn, um am Ende mit dem Hauptschiff festzumachen ein räumliches Rendezvous-Manöver. Diese Lösung wurde von der Agentur nur ungern angenommen, da die Besatzung angesichts der geringen Menge an Treibstoff, die zur Durchführung des Rendezvous zur Verfügung stand, bei fehlerhaften Manövern verurteilt werden könnte. Nach dieser Entscheidung wurde das Gemini-Programm gestartet, um Weltraum-Rendezvous-Techniken zu entwickeln.

Erste Versuche

Als 1962 das Weltraumrennen zwischen den Amerikanern und den Sowjets gestartet wurde, starteten letztere zwei Wostok -Raumschiffe im Abstand von wenigen Stunden . Die Nachricht erregte Aufsehen (hier erinnert an eine sowjetische Briefmarke). Dabei handelt es sich aber keineswegs um ein richtiges Treffen, sondern um einen einfachen Gruppenflug.

1962 und erneut 1963 startete die Sowjetunion fast gleichzeitig zwei Raumschiffe, Wostok 3 und 4 und dann Wostok 5 und 6 . Die Trägerraketen funktionieren in beiden Fällen einwandfrei und die beiden Schiffe folgen einer nahezu identischen Umlaufbahn, die es ihnen ermöglicht, sich 5 oder 6,5  km voneinander zu nähern. Ein echtes Weltraum-Rendezvous ist dies noch nicht, da die beiden Schiffe manövrierunfähig sind und ihre Annäherung nur aus einer perfekten Synchronisation der beiden Starts resultiert.

Das amerikanische Raumschiff Gemini verfügt über ein Antriebssystem zum Manövrieren im Weltraum. Also dieWährend des Gemini 3 -Flugs wird Virgil Grissom der erste Mensch, der eine Änderung der Umlaufbahn durchführt. derversuchte sein Kollege James McDivitt das erste Weltraum-Rendezvous-Manöver an Bord von Gemini 4 . Mit seinen Raketentriebwerken versucht er, der letzten Stufe der Titan-II -Rakete , die ihn kurz zuvor in die Umlaufbahn gebracht hatte, so nahe wie möglich zu kommen. Ohne Erfolg.

der, versuchen die Gemini 5 -Astronauten eine ähnliche Operation. Nach zwei Stunden Flug werfen sie aus dem Heck ihres Schiffes ein kleines Gerät, das Funksignale aussendet, die "REP". Gordon Cooper versucht, das Rendezvous-Verfahren einzuleiten, aber ein Druckabfall in einer der Brennstoffzellen zwingt ihn, das Manöver abzubrechen.

Die damaligen Astronauten rekrutierten sich unter erfahrenen Testpiloten, aber McDivitt und Cooper nutzten ihre Fliegerreflexe, während die Techniken zum Steuern eines Flugzeugs nicht an die Regeln der Weltraummechanik angepasst waren . Deshalb erreicht keines von ihnen sein Ziel [ 2 ] .

Erste Verabredung

der, macht Walter Schirra das erste Weltraum-Rendezvous.

Das erste Weltraum-Rendezvous ist wieder ein verpasstes Rendezvous. dersoll eine Agena-Rakete als Ziel für die kurz darauf startende Raumsonde Gemini 6 dienen, die von Walter Schirra und Thomas Stafford bemannt wird . Der Flugplan sieht nicht nur ein Rendezvous, sondern auch ein Andocken vor . Aber Agena explodiert sechs Minuten nach dem Start und die Gemini 6-Mission wird verschoben. der, bevor es aufgrund eines neuen technischen Zwischenfalls abheben konnte, flog Gemini 7 mit Frank Borman und James Lovell an Bord ins All. Sie brechen zu einem langen Flug auf: zwei Wochen. Und es war schließlich der 15., an dem Schirra und Stafford abwechselnd abhoben, mit der Mission, ihren Kollegen so nahe wie möglich zu kommen.

Schirra gelang es, sich Gemini 6 bis auf 30  cm an Gemini 7 anzunähern, und die beiden Raumschiffe blieben zwanzig Minuten lang in Formation, um diesen Abstand beizubehalten. Später sagte er: „Jemand hat mir gesagt … wenn du näher als 5  km kommst, wird es ein Date sein. Aber das ist erst der Anfang der Arbeit! Ein Rendezvous ist nur dann erfolgreich, wenn die relative Verschiebung der beiden Fahrzeuge Null ist und der Abstand zwischen den beiden Fahrzeugen auf weniger als 40 Meter reduziert wurde. Wenn dieses Ziel erreicht ist, ist das Rendezvous-Manöver eine einfache Frage der Positionserhaltung: Sie können mit der Distanz spielen, als ob Sie in einem Auto, einem Flugzeug oder auf einem Skateboard wären. » [ 3 ]

Nach dieser Mission und abgesehen von seltenen Zwischenfällen werden alle Rendezvous im Weltraum von Liegeplätzen gefolgt . Eine Ausnahme jedoch in : das Rendezvous zwischen der amerikanischen Raumfähre Discovery und der sowjetischen Orbitalstation Mir ( Mission STS-63 ).

Erste Liegeplätze

Hauptartikel: Docking (Raumfahrt) .
Das erste Andocken im Weltraum: Gemini 8 und Agena 8, 1966.

dergelang Neil Armstrong das erste Andocken zweier Maschinen im Weltraum, indem er seine Raumsonde Gemini 8 an eine Stufe der kurz zuvor gestarteten Rakete Agena 8 koppelte. Andere Liegeplätze werden zwischen Juli und erfolgreich durchgeführt( Gemini- Flüge 10 bis 12 ).

dererreichen die Sowjets das erste Rendezvous und die erste Verbindung zwischen zwei unbemannten Raumfahrzeugen Cosmos 186 und Cosmos 188 [ 4 ] .

Ihr erster Versuch des manuellen Festmachens wurde versuchtvon Georgi Beregovoi an Bord von Sojus 3 , aber es kann sich nicht an das unbemannte Raumschiff Sojus 2 anschließen . Er näherte sich ihm um 30  cm , bevor er aufgab, aus Angst, dass ihm der Treibstoff für die Manöver zurück zur Erde ausging. Es waren schließlich Sojus 4 und 5 , die auf, erfolgreiches Festmachen , wonach ein Besatzungstransfer per Weltraumspaziergang stattfindet .

In, Apollo 10 -Astronauten schließen erfolgreich das erste Rendezvous ab und docken in der Mondumlaufbahn an. Der Erfolg ihrer Mission gibt grünes Licht für die erste Landung des Menschen auf dem Mond, zwei Monate später ( Apollo 11 Mission ).

Das erste Rendezvous zwischen zwei Raumfahrzeugen zweier verschiedener Nationen findet am stattzwischen einem Apollo-Raumschiff und einem Sojus-Raumschiff ( Apollo-Sojus- Projekt ).

Das erste Andocken mit mehr als zwei Fahrzeugen erfolgte im Januar 1978, als Sojus 27 auf der Raumstation Salyut 6 landete , an der Sojus 26 einen Monat lang befestigt war.

Orbitale Rendezvous-Methoden

Das Orbital-Rendezvous zwischen zwei Schiffen wird durch die Regeln der Orbitalmechanik eingeschränkt. Seine Durchführung ist aufwendig und erfordert sowohl Zeit als auch eine Treibstoffmenge, die schnell die verfügbaren Reserven überschreiten kann, wenn die Manöver nicht mit großer Präzision durchgeführt werden. Es wurden mehrere Techniken entwickelt.

Orbitale Mechanik

Das Orbital-Rendezvous-Manöver umfasst zwei Schiffe: das gejagte Schiff, das im Allgemeinen nicht sehr viel manövriert, und das Jägerschiff, das seine Umlaufbahn ändern muss, um an das gejagte Schiff anzudocken. Bewegungen im Orbit unterliegen nicht den gleichen Gesetzen wie auf der Erdoberfläche: Die Orbitalmechanik unterliegt mehreren Einschränkungen [ 5 ]  :

  • Die Umlaufzeit eines Satelliten hängt von seiner Höhe ab. Die Dauer einer Umlaufbahn nimmt mit der Höhe zu.
  • Diese Beschränkung wird verwendet, damit das Jägerschiff das gejagte Schiff einholen kann. Indem er seine Höhe verringert, verringert der Jäger den Winkelabstand zum Gejagten. Hat er den Gejagten überholt, muss er nur noch an Höhe gewinnen, damit er ihn einholt. Das tiefer gelegene Schiff hat eine höhere Winkelgeschwindigkeit , nicht nur weil die zurückzulegende Entfernung geringer ist, sondern auch weil seine Umlaufgeschwindigkeit höher ist.
  • Die effizienteste Methode zur Durchführung eines Orbitalmanövers ist die Verwendung eines Hohmann- Transferorbits : Um das Apogäum einer Umlaufbahn anzuheben, wird der Antrieb an einem Punkt 180 ° vom Apogäum entfernt verwendet. Der Schub wird in Flugrichtung ausgeübt.
  • Damit das Orbital-Rendezvous stattfinden kann, müssen die beiden Schiffe in derselben Orbitalebene kreisen . Der Wechsel der Bahnebene ist ein sehr kostspieliges Manöver: Zum Beispiel, wenn ein Schiff mit einer Bahnneigung von 28° in eine niedrige Umlaufbahn gestartet wird und es in eine geostationäre Umlaufbahn einfliegen muss(Bahnneigung bei 0° und Höhe 36.000 Kilometer) muss er so viel Treibstoff verbrauchen, als wollte er seine Umlaufbahn zum Mond (Höhe 350.000 Kilometer) anheben. Wenn möglich, wird das Jägerschiff auf einem Orbitalflugzeug in der Nähe des Gejagten platziert. Wenn ein Wechsel zur Orbitalebene des Kampfflugzeugs durchgeführt werden muss, muss das Manöver dort durchgeführt werden, wo sich die Orbitalebenen der beiden Schiffe schneiden.

Sequenz eines orbitalen Rendezvous

Ein orbitales Rendezvous findet in mehreren Phasen statt:

  • Das Kampffahrzeug wird zunächst in einer Höhe in die Umlaufbahn gebracht, die mit dem Zielschiff kompatibel ist. Wenn dann die Umlaufbahn stabilisiert ist, passiert es, dass die beiden Maschinen durch einen Kreisbogen getrennt sind, das heißt, dass ein Schiff dem anderen voraus ist. Es ist dann notwendig, das Kampffahrzeug in eine elliptische Umlaufbahn zu bringen , so dass es einen Vorsprung auf das Zielfahrzeug gewinnt oder verliert. Dies wird als "Transfer"-Umlaufbahn bezeichnet .
  • Wenn die beiden Maschinen ziemlich nahe beieinander sind (~5  km ), muss zum Zeitpunkt des Rendezvous die relative Geschwindigkeit der beiden Maschinen null sein. Dazu muss ein retrograder Schub (also in entgegengesetzter Richtung zum Geschwindigkeitsvektor) durchgeführt werden. Wenn die relative Geschwindigkeit der beiden Maschinen und der Abstand, der sie trennt, gering genug ist, ist das Rendezvous beendet. Wenn sich die beiden Maschinen näher kommen müssen, tun wir dies einfach, indem wir sie zueinander " schieben ".
  • Damit zwei Objekte jedoch dauerhaft auf derselben Umlaufbahn bleiben, müssen ihre Geschwindigkeiten genau gleich sein (relative Geschwindigkeit Null). Beispiel: Wenn eines der beiden Objekte einen Unterschied von 1  m/s zur anderen Maschine aufweist, werden die beiden Maschinen im Raum einer Umlaufbahn (90 min für die Internationale Raumstation ) um mehr als 5  km getrennt sein .
  • außerdem erzeugt im Orbit eine Beschleunigung in Richtung der Flugbahn aufgrund der Zentrifugalkraft mechanisch eine Zunahme der Höhe , wohingegen umgekehrt eine Verlangsamung in Richtung der Flugbahn einen Höhenverlust erzeugt. Sobald die beiden Maschinen nahe genug sind, müssen die Tangential- und Radialgeschwindigkeit korrigiert werden.

Anmerkungen und Referenzen

  1. ↑ Französisches Recht: Dekret vom 20. Februar 1995 über die Terminologie der Weltraumwissenschaften und -techniken.
  2. ↑ Doug Ward, „ Oral  History Transcript, James A. McDivitt  “ , Elk Lake, Michigan, Lyndon B. Johnson Space Center , (Konsultierte die)
  3. ↑ „ The Visitors “  , On The  Shoulders of Titans , NASA (aufgerufen)
  4. ↑ „ Cosmos 186 “  , NSSDC Master Catalog NSSDC ID: 1967-105A  , NASA ( zugegriffen)
  5. ↑ Frank O'Brien , "  The Apollo Flight Journal  " , in Apollo Flight Journal , NASA , 1995-2017 (abgerufen am)

Siehe auch

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Verwandte Artikel

Externe Links