Ruimte rendez-vous

Ruimte rendez-vous tussen de Gemini 6A en Gemini 7 ruimteschepen

Een ruimte rendez-vous , in ruimtevaart , is een georganiseerde ontmoeting in ruimte tussen ruimtevaartuig , of tussen een ruimtevaartuig en een hemelvoorwerp ^{[ 1 ]} bij nul of zeer lage relatieve snelheid. Als het een rendez-vous is tussen twee bemande ruimtevaartuigen en ze aan elkaar afmeren, kan er communicatie zijn tussen de onder druk staande ruimten, waarvoor de beschikbaarheid van een waterdicht luchtsluissysteem vereist is.

Het rendez-vous in de ruimte vereist het uitvoeren van complexe manoeuvres die in een minimum van tijd moeten worden voltooid zonder overmatig verbruik van de nog beschikbare stuwstofreserve . Het succes van een orbitaal rendez-vous hangt met name af van de keuze van een lanceervenster voor het "jager"-vaartuig waardoor het in een baanvlak dicht bij zijn doel kan worden geplaatst en van een zeer nauwkeurige berekening van de posities en snelheden van de twee vaartuigen. . De ontwikkeling van de orbitale rendez-voustechniek wordt uitgevoerd in het kader van het Gemini-programma . Het doel hiervan is om het bereiken van de rendez-vous in een baan om de maan mogelijk te maken die nodig is voor het slagen van de missies van het Apollo-programma.

De eerste ruimtebijeenkomst werd uitgevoerd15 december 1965door astronaut Walter M. Schirra , commandant van Gemini 6 , met het Gemini 7 ruimtevaartuig . Na deze datum vormden het rendez-vous en de ligplaatsen voor de Amerikanen de beslissende etappe van de expedities naar de maan ( Apollo -missies , 1969-1972). En sinds de jaren zeventig worden ze regelmatig uitgevoerd als onderdeel van tankoperaties of wisselingen van de bemanning van ruimtestations . Terwijl de Sovjets de voorkeur gaven aan automatische rendez-vous, van toepassing op onbemande vaartuigen, vertrouwde NASA de verantwoordelijkheid toe aan de bemanningen.

Sinds 2011 is China het derde land dat rendez-vous en koppelingen met ruimtestations organiseert.

Historisch

Kort na de eerste vlucht van een man in de ruimte door Yuri Gagarin de12 april 1961, ontdekten de functionarissen en ingenieurs van de twee ruimtemachten van die tijd, de Sovjet-Unie en de Verenigde Staten , dat de realisatie van een ambitieus ruimteprogramma de beheersing van de technieken vereiste waardoor twee ruimtevaartuigen elkaar konden naderen en elkaar konden aanmeren. Deze techniek wordt vooral essentieel voor het Amerikaanse ruimteagentschap NASA , wanneer deze ervoor kiestnovember 1962voor de maanbaan rendez -vous oplossing voor zijn Apollo-programma . In dit scenario dalen twee van de drie bemanningsleden af naar de maangrond in een gespecialiseerd vaartuig, de Apollo-maanmodule , en zodra hun missie is voltooid, gaan ze terug in een baan om de aarde aan boord van dezelfde module om aan het einde van de dag af te meren met het hoofdvaartuig. een ruimtelijke rendez-vousmanoeuvre. Deze oplossing werd door de dienst met tegenzin aangenomen omdat de bemanning kon worden veroordeeld in het geval van foutieve manoeuvres, gezien de kleine hoeveelheid drijfgas die beschikbaar was om de afspraak uit te voeren. Na deze beslissing werd het Gemini-programma gelanceerd om technieken voor ontmoeting in de ruimte te ontwikkelen.

Eerste pogingen

In 1962, toen de ruimtewedloop tussen de Amerikanen en de Sovjets van start ging, lanceerden de laatste twee Vostok -ruimteschepen met een tussenpoos van een paar uur . Het nieuws veroorzaakte een sensatie (hier herdacht door een Sovjet-postzegel). Het is echter allerminst een echte meeting maar een simpele groepsvlucht.

In 1962 en opnieuw in 1963 lanceerde de Sovjet-Unie bijna gelijktijdig een paar ruimtevaartuigen, Vostok 3 en 4 en vervolgens Vostok 5 en 6 . De draagraketten werken in beide gevallen perfect en de twee schepen volgen een bijna identieke baan waardoor ze 5 of 6,5 km van elkaar kunnen naderen. Dit is nog steeds geen echt rendez-vous in de ruimte omdat de twee schepen niet kunnen manoeuvreren en hun toenadering alleen het resultaat is van een perfecte synchronisatie van de twee lanceringen.

Het Amerikaanse ruimteschip Gemini heeft een voortstuwingssysteem om in de ruimte te manoeuvreren. Dus de23 maart, tijdens de Gemini 3 -vlucht , wordt Virgil Grissom de eerste man die van baan verandert. de3 juni, probeerde zijn collega James McDivitt de eerste ruimtemanoeuvre aan boord van Gemini 4 . Met behulp van zijn raketmotoren probeert hij zo dicht mogelijk bij de laatste trap van de Titan II -raket te komen die hem kort daarvoor in een baan om de aarde bracht. Zonder succes.

de21 augustus, proberen de Gemini 5 -astronauten een soortgelijke operatie. Na twee uur vliegen werpen ze vanaf de achterkant van hun schip een klein apparaatje uit dat radiosignalen uitzendt, de "REP". Gordon Cooper probeert de rendez-vousprocedure te starten, maar een drukval in een van de brandstofcellen dwingt hem de manoeuvre te annuleren.

De astronauten van die tijd werden gerekruteerd uit ervaren testpiloten, maar McDivitt en Cooper gebruikten hun vliegerreflexen terwijl de technieken van het besturen van een vliegtuig niet waren aangepast aan de regels van de ruimtemechanica . Daarom slaagt geen van hen erin zijn doel te bereiken ^{[ 2 ]} .

Eerste afspraakje

de15 december 1965, Walter Schirra maakt de eerste afspraak in de ruimte.

De eerste ontmoeting in de ruimte is opnieuw een gemiste afspraak. de25 oktober 1965, zal een Agena-raket dienen als doelwit voor het Gemini 6 -ruimtevaartuig , bemand door Walter Schirra en Thomas Stafford , dat kort daarna zal worden gelanceerd. Het vliegplan voorziet niet alleen in een rendez-vous maar ook in een docking . Maar Agena ontploft zes minuten na de lancering en de Gemini 6-missie wordt uitgesteld. de4 dec, voordat het kon opstijgen vanwege een nieuw technisch incident, vloog Gemini 7 de ruimte in met Frank Borman en James Lovell aan boord. Ze vertrekken voor een lange vlucht: twee weken. En het was uiteindelijk op de 15e dat Schirra en Stafford om beurten vertrokken, met als missie zo dicht mogelijk bij hun collega's te komen.

Schirra slaagde erin Gemini 6 binnen 30 cm van Gemini 7 te naderen en gedurende twintig minuten bleven de twee ruimtevaartuigen in formatie en handhaafden deze afstand. Hij zou later zeggen: “Iemand vertelde me… als je dichterbij dan 5 km komt, wordt het een date. Maar dit is nog maar het begin van het werk! Een rendez-vous is alleen succesvol als de relatieve verplaatsing van de twee voertuigen nul is en de afstand tussen de twee vaartuigen is teruggebracht tot minder dan 40 meter. Zodra dit doel is bereikt, is de rendez-vous-manoeuvre een simpele kwestie van positie behouden: je kunt met afstand spelen alsof je in een auto, een vliegtuig of op een skateboard zit. » ^{[ 3 ]}

Na deze missie, behoudens zeldzame incidenten, zullen alle ontmoetingen in de ruimte worden gevolgd door ligplaatsen . Een uitzondering echter infebruari 1995 : het rendez-vous tussen de Amerikaanse spaceshuttle Discovery en het Sovjet - orbitaalstation Mir ( missie STS-63 ).

Eerste ligplaatsen

Hoofd artikel: Docking (astronautica) .

De eerste space docking: Gemini 8 en Agena 8, in 1966.

de16 maart 1966, slaagde Neil Armstrong erin om voor het eerst twee machines in de ruimte te koppelen door zijn Gemini 8 -ruimtevaartuig te koppelen aan een trap van de Agena 8-raket, die kort daarvoor was gelanceerd. Andere ligplaatsen worden met succes uitgevoerd tussen juli ennovember 1966( Gemini- vluchten 10 tot 12 ).

de30 oktober 1967, bereiken de Sovjets het eerste rendez - vous en de eerste verbinding tussen twee onbemande ruimtevaartuigen Kosmos 186 en Kosmos 188 ^{[ 4 ]} .

Hun eerste poging om handmatig aan te meren werd geprobeerdoktober 1968door Georgi Beregovoi aan boord van de Sojoez 3 , maar hij kan zich niet hechten aan het onbemande Sojoez 2 ruimtevaartuig . Hij benaderde het met 30 cm voordat hij het opgaf uit angst dat de brandstof opraakt voor de manoeuvres terug naar de aarde. Het waren uiteindelijk Sojoez 4 en 5 die op16 januari 1969, succesvol afgemeerd waarna een bemanningsoverdracht per ruimtewandeling plaatsvindt .

Inmei 1969, Apollo 10 -astronauten voltooien met succes de eerste ontmoeting en aanmeren in een baan om de maan. Het succes van hun missie geeft groen licht voor de eerste landing van de mens op de maan, twee maanden later ( Apollo 11 -missie ).

Het eerste rendez-vous tussen twee ruimtevaartuigen die tot twee verschillende naties behoren, vindt plaats op17 juni 1975tussen een Apollo-ruimtevaartuig en een Sojoez-ruimtevaartuig ( Apollo-Sojoez- project ).

De eerste koppeling met meer dan twee vaartuigen vond plaats in januari 1978 toen Sojoez 27 landde op het ruimtestation Salyut 6 , waaraan Sojoez 26 een maand lang was vastgemaakt.

Orbitale rendez-vous methoden

De orbitale ontmoeting tussen twee schepen wordt beperkt door de regels van de orbitale mechanica. De uitvoering ervan is complex en vereist zowel tijd als een hoeveelheid drijfgas die de beschikbare reserves snel kan overschrijden als de manoeuvres niet met grote precisie worden uitgevoerd. Er zijn verschillende technieken ontwikkeld.

Orbitale mechanica

Bij de orbitale rendez-vous-manoeuvre zijn twee schepen betrokken: het achtervolgde schip, dat over het algemeen niet veel manoeuvreert, en het jagersschip, dat van baan moet veranderen om aan te meren met het achtervolgde schip. Bewegingen in een baan zijn niet onderworpen aan dezelfde wetten als op het aardoppervlak: de baanmechanica legt verschillende beperkingen op ^{[ 5 ]} :

De omwentelingstijd van een satelliet hangt af van zijn hoogte. De duur van een baan neemt toe met de hoogte.
Deze beperking wordt gebruikt om het jachtschip in staat te stellen het achtervolgde schip in te halen. Door zijn hoogte te verlagen, verkleint de jager de hoekafstand met de gejaagde. Als hij de opgejaagde heeft ingehaald, hoeft hij alleen maar zijn hoogte te vergroten om hem in te halen. Het lager gelegen vaartuig heeft een hogere hoeksnelheid , niet alleen omdat de af te leggen afstand lager is, maar ook omdat de omloopsnelheid hoger is.
De meest efficiënte methode om een orbitale manoeuvre uit te voeren, is het gebruik van een Hohmann Transfer Orbit : om de top van een baan te verhogen, wordt voortstuwing gebruikt op een punt 180 ° van de top. Stuwkracht wordt uitgeoefend in de vliegrichting.
Om de orbitale ontmoeting te laten plaatsvinden, moeten de twee schepen in hetzelfde orbitale vlak circuleren . Het veranderen van het baanvlak is een zeer kostbare manoeuvre: als een schip bijvoorbeeld in een lage baan wordt gelanceerd met een baanhelling van 28° en het moet aansluiten bij een geostationaire baan(helling van de baan op 0° en hoogte van 36.000 kilometer), moet hij net zoveel brandstof verbruiken als wanneer hij zijn baan naar de maan wil verhogen (hoogte 350.000 kilometer). Indien mogelijk wordt het jagersschip in een baanvlak dicht bij de gejaagde geplaatst. Als een wijziging in het baanvlak van de jager moet worden uitgevoerd, moet de manoeuvre worden uitgevoerd waar de baanvlakken van de twee schepen elkaar kruisen.

Volgorde van een orbitaal rendez-vous

Een orbitaal rendez-vous vindt plaats in verschillende fasen:

het jachtvliegtuig wordt eerst in een baan om de aarde gebracht op een hoogte die compatibel is met het doelschip. Wanneer de baan vervolgens is gestabiliseerd, gebeurt het dat de twee machines worden gescheiden door een cirkelboog, dat wil zeggen dat het ene schip voor het andere ligt. Het is dan nodig om het jachtvliegtuig in een elliptische baan te plaatsen zodat het een voorsprong op het doelvaartuig krijgt of verliest. Men zegt dat dit de "transfer" baan is .
wanneer de twee machines redelijk dichtbij zijn (~ 5 km ), op het moment van het rendez-vous, moet de relatieve snelheid van de twee machines nul zijn. Om dit te doen, moet een achterwaartse stuwkracht worden uitgevoerd (dat wil zeggen in de tegenovergestelde richting van de snelheidsvector). Wanneer de relatieve snelheid van de twee machines en de afstand die hen scheidt laag genoeg is, is het rendez-vous voorbij. Als de twee machines dichterbij moeten komen, doen we dat simpelweg door ze naar elkaar toe te " duwen ".
om twee objecten echter permanent in dezelfde baan te laten blijven, moeten hun snelheden exact hetzelfde zijn (nul relatieve snelheid). Bijvoorbeeld: als een van de twee objecten 1 m/s verschil krijgt met de andere machine, zullen de twee machines in de ruimte van een omwenteling (90 min voor het internationale ruimtestation ISS ) meer dan 5 km van elkaar verwijderd zijn .
bovendien genereert een versnelling in de richting van het traject in een baan mechanisch een toename van de hoogte als gevolg van middelpuntvliedende kracht , terwijl omgekeerd een vertraging in de richting van het traject een hoogteverlies genereert. Dus zodra de twee machines dicht genoeg bij elkaar zijn, moeten de tangentiële en radiale snelheid worden gecorrigeerd.

Aantekeningen en referenties

↑ Franse wet: decreet van 20 februari 1995 betreffende de terminologie van ruimtewetenschappen en -technieken.
^ Doug Ward, " Oral History Transcript, James A. McDivitt " , Elk Lake, Michigan, Lyndon B. Johnson Space Center ,29 juni 1999 (raadpleegde de27 januari 2011)
↑ " De bezoekers " , Op de schouders van Titanen , NASA (geraadpleegd27 januari 2011)
^ " Cosmos 186 " , NSSDC Hoofdcatalogus NSSDC ID: 1967-105A , NASA ( geraadpleegd27 januari 2011)
↑ Frank O'Brien , " The Apollo Flight Journal " , in Apollo flight journal , NASA , 1995-2017 (geraadpleegd op28 april 2018)

Zie ook

Over andere Wikimedia-projecten:

Ruimte rendez-vous , op Wikimedia Commons

Externe links

Astronautisch portaal