Космическое рандеву

Космическое рандеву между космическими кораблями Gemini 6A и Gemini 7

Космическое рандеву в космонавтике — это организованное столкновение в космосе между космическим кораблем или между космическим кораблем и небесным объектом [ 1 ] при нулевой или очень низкой относительной скорости. Если это рандеву между двумя пилотируемыми космическими кораблями, и они швартуются друг к другу, может быть связь между герметичными помещениями, что требует наличия водонепроницаемой системы шлюза.

Сближение в космосе требует выполнения сложных маневров, которые должны быть выполнены за минимальное время без чрезмерного расхода еще имеющегося запаса топлива . Успех орбитального сближения зависит, в частности, от выбора пускового окна для корабля-«охотника», позволяющего разместить его в плоскости орбиты, близкой к цели, и от очень точного расчета позиций и скоростей двух кораблей. . Разработка методики орбитального сближения осуществляется в рамках программы «Джемини» . Цель этого состоит в том, чтобы обеспечить рандеву на лунной орбите , необходимое для успеха миссий программы «Аполлон»..

состоялась первая космическая встреча.астронавтом Уолтером М. Ширрой , командиром корабля " Джемини-6 ", с космическим кораблем " Джемини-7 " . После этой даты рандеву и швартовки составляли для американцев решающий этап экспедиций на Луну ( миссии « Аполлон » , 1969—1972). А с 1970-х годов они регулярно проводятся в рамках операций по дозаправке или смене экипажей космических станций . В то время как Советы отдавали предпочтение автоматическому сближению, применимому к беспилотным кораблям, НАСА возложило ответственность на экипажи.

С 2011 года Китай является третьей страной, организовавшей рандеву и стыковку с космическими станциями.

Исторический

Вскоре после первого полета человека в космос Юрием Гагариным, официальные лица и инженеры двух космических держав того времени, Советского Союза и Соединенных Штатов , обнаружили, что реализация амбициозной космической программы требует овладения методами, позволяющими двум космическим кораблям сближаться и швартоваться. Этот метод становится особенно важным для американского космического агентства НАСА , когда последнее выбираетдля решения рандеву на лунной орбите для его программы Аполлон . В этом сценарии двое из трех членов экипажа спускаются на лунную землю в специализированном корабле, лунном модуле «Аполлон» , а затем, когда их миссия завершена, возвращаются на орбиту на борту этого же модуля, чтобы швартоваться вместе с основным кораблем в конце полета. маневр пространственного сближения. Это решение было принято агентством с неохотой, потому что экипаж мог быть осужден в случае ошибочных маневров, учитывая небольшое количество топлива, доступного для выполнения сближения. Вслед за этим решением была запущена программа Gemini по отработке методов космических сближений.

Первые попытки

В 1962 году, когда началась космическая гонка между американцами и Советами, последние запустили два космических корабля «Восток» с разницей в несколько часов . Новость произвела фурор (здесь отмечена советской почтовой маркой). Однако это отнюдь не настоящая встреча, а простой групповой полет.

В 1962 и снова в 1963 году Советский Союз почти одновременно запустил пару космических кораблей, Восток 3 и 4, а затем Восток 5 и 6 . Пусковые установки в обоих случаях работают отлично, и два корабля движутся по почти одинаковой орбите, что позволяет им сближаться на 5 или 6,5  км друг от друга. Это еще не настоящее космическое рандеву, потому что у двух кораблей нет возможности маневрировать, а их сближение происходит только за счет идеальной синхронизации двух пусков.

Американский космический корабль « Джемини » имеет двигательную установку для маневрирования в космосе. Итак, во время полета Gemini 3 Вирджил Гриссом становится первым человеком, совершившим изменение орбиты. в, его коллега Джеймс МакДивитт предпринял первую попытку сближения в космосе на борту Gemini 4 . Используя свои ракетные двигатели, он пытается подобраться как можно ближе к последней ступени ракеты Титан II , которая незадолго до этого вывела его на орбиту. Безуспешно.

в, астронавты Gemini 5 пытаются провести аналогичную операцию. После двух часов полета они выбрасывают из кормы своего корабля небольшое устройство, излучающее радиосигналы, «РЭП». Гордон Купер пытается начать процедуру встречи, но падение давления в одном из топливных элементов вынуждает его отменить маневр.

Космонавтов того времени набирали из числа опытных летчиков-испытателей, но МакДивитт и Купер использовали свои авиаторские рефлексы, пока техника пилотирования самолета не была приспособлена к правилам космической механики . Вот почему ни одному из них не удается достичь своей цели [ 2 ] .

Первое свидание

в, Уолтер Ширра совершает первое космическое рандеву.

Первое космическое рандеву — это снова пропущенное рандеву. вРакета Agena должна служить целью для космического корабля Gemini 6 , пилотируемого Уолтером Ширрой и Томасом Стаффордом , который должен быть запущен вскоре после него. План полета предусматривает не только сближение, но и стыковку . Но Agena взрывается через шесть минут после старта, и миссия Gemini 6 откладывается. в, не успев взлететь из-за нового технического инцидента, Gemini 7 улетела в космос с Фрэнком Борманом и Джеймсом Ловеллом на борту. Уезжают в долгий перелет: две недели. И, наконец, 15-го Ширра и Стаффорд вылетели по очереди, чтобы максимально приблизиться к своим коллегам.

Ширре удалось приблизиться к Gemini 6 на расстояние 30  см от Gemini 7, и в течение двадцати минут два космических корабля оставались в строю, поддерживая это расстояние. Позже он сказал: «Кто-то сказал мне… если ты подойдешь ближе, чем на 5  км , это будет свидание. Но это только начало работы! Рандеву считается успешным только тогда, когда относительное водоизмещение двух транспортных средств равно нулю, а расстояние между ними сократилось до менее 40 метров. Как только эта цель достигнута, маневр рандеву становится простым вопросом удержания позиции: вы можете играть на расстоянии, как если бы вы были в машине, самолете или на скейтборде. » [ 3 ]

После этой миссии, за исключением редких инцидентов, все космические рандеву будут сопровождаться швартовками . Исключение, однако, в : рандеву между американским космическим кораблем " Дискавери " и советской орбитальной станцией " Мир " ( миссия STS-63 ).

Первые причалы

Основная статья: Стыковка (космонавтика) .
Первая космическая стыковка: Gemini 8 и Agena 8, 1966 год.

в, Нилу Армстронгу удалось впервые состыковать две машины в космосе, соединив свой космический корабль Gemini 8 со ступенью ракеты Agena 8, запущенной незадолго до этого. Другие швартовки успешно осуществляются в период с июля по( рейсы Близнецов с 10 по 12 ).

в, Советы достигают первого рандеву и первого соединения между двумя беспилотными космическими кораблями Космос 186 и Космос 188 [ 4 ] .

Их первая попытка ручной швартовки была предпринята вГеоргием Береговым на корабле " Союз-3 " , но не может прикрепиться к беспилотному кораблю "Союз-2 " . Он приблизился к нему на 30  см , прежде чем сдаться, опасаясь, что закончится топливо для маневров обратно на Землю. В конечном итоге это были «Союз-4» и «Союз- 5 » ., успешная швартовка, после которой происходит выход экипажа в открытый космос .

В, астронавты Аполлона-10 успешно завершили первое сближение и стыковку на лунной орбите. Успех их миссии дает зеленый свет первой высадке человека на Луну двумя месяцами позже ( миссия « Аполлон-11 » ).

Первая встреча двух космических кораблей, принадлежащих двум разным странам, состояласьмежду кораблем «Аполлон» и кораблем «Союз » ( проект «Аполлон-Союз » ).

Первая стыковка с участием более двух кораблей произошла в январе 1978 года, когда «Союз-27» приземлился на космическую станцию ​​« Салют-6 » , к которой «Союз-26 » был прикреплен в течение месяца.

Орбитальные методы сближения

Орбитальное рандеву между двумя кораблями ограничено правилами орбитальной механики. Его выполнение сложно и требует как времени, так и количества топлива, которое может быстро превысить имеющиеся запасы, если маневры не будут выполняться с большой точностью. Разработано несколько методик.

Орбитальная механика

В маневре сближения на орбите участвуют два корабля: преследуемый корабль, который обычно мало маневрирует, и корабль-охотник, который должен изменить свою орбиту, чтобы состыковаться с преследуемым кораблем. Движения на орбите не подчиняются тем же законам, что и на поверхности Земли: орбитальная механика накладывает несколько ограничений [ 5 ]  :

  • Период обращения спутника зависит от его высоты. Продолжительность орбиты увеличивается с высотой.
  • Это ограничение используется, чтобы позволить кораблю-охотнику догнать преследуемый корабль. Снижая свою высоту, охотник уменьшает угловое расстояние с добычей. Если он догнал добычу, ему достаточно увеличить высоту, чтобы она его догнала. Судно, расположенное ниже, имеет более высокую угловую скорость не только потому, что расстояние, которое необходимо пройти, меньше, но и потому, что его орбитальная скорость выше.
  • Наиболее эффективным методом выполнения орбитального маневра является использование переходной орбиты Хомана : для поднятия апогея орбиты используется двигательная установка в точке, расположенной на 180° от апогея. Тяга действует в направлении полета.
  • Чтобы орбитальное сближение состоялось, два корабля должны вращаться в одной орбитальной плоскости . Изменение плоскости орбиты — очень затратный маневр: например, если корабль выводится на низкую орбиту с наклонением орбиты 28° и он должен выйти на геостационарную орбиту(наклонение орбиты 0° и высота 36 000 км), он должен израсходовать столько топлива, сколько хотел бы поднять свою орбиту до Луны (высота 350 000 км). Если возможно, корабль-охотник будет размещен на орбитальной плоскости рядом с добычей. Если необходимо изменить орбитальную плоскость истребителя, маневр должен быть выполнен там, где пересекаются орбитальные плоскости двух кораблей.

Последовательность орбитального рандеву

Орбитальное сближение происходит в несколько этапов:

  • истребитель сначала выводится на орбиту на высоте, совместимой с кораблем-целью. Затем, когда орбита стабилизируется, получается, что две машины разделены дугой окружности, то есть одно судно опережает другое. Затем необходимо вывести истребитель на эллиптическую орбиту так, чтобы он опередил или потерял преимущество перед целевым кораблем. Говорят , что это «переходная» орбита .
  • когда две машины находятся достаточно близко (~ 5  км ), во время встречи относительная скорость двух машин должна быть равна нулю. Для этого необходимо осуществить обратную тягу (то есть в направлении, противоположном вектору скорости). Когда относительная скорость двух машин и расстояние, которое их разделяет, становятся достаточно низкими, рандеву заканчивается. Если две машины должны сблизиться, мы сделаем это, просто « подтолкнув » их друг к другу.
  • однако, чтобы два объекта постоянно оставались на одной и той же орбите, их скорости должны быть абсолютно одинаковыми (нулевая относительная скорость). Например: если один из двух объектов приобретает разницу в 1  м/с с другой машиной, в пространстве орбитального обращения (90 минут для Международной космической станции ) две машины будут разделены более чем на 5  км .
  • кроме того, на орбите ускорение в направлении траектории механически вызывает увеличение высоты из-за центробежной силы , тогда как, наоборот, замедление в направлении траектории вызывает потерю высоты. Поэтому, как только две машины окажутся достаточно близко, необходимо скорректировать тангенциальную и радиальную скорость.

Примечания и ссылки

  1. ↑ Закон Франции: указ от 20 февраля 1995 г. о терминологии космических наук и техники.
  2. ↑ Дуг Уорд, « Устная  стенограмма истории, Джеймс А. МакДивитт  » , Элк-Лейк, Мичиган, Космический центр Линдона Б. Джонсона , (проконсультировался с)
  3. ↑ " Посетители "  , На  плечах титанов , НАСА (доступно)
  4. ↑ « Космос 186 »  , Главный каталог NSSDC NSSDC ID: 1967-105A  , НАСА ( доступно)
  5. ↑ Фрэнк О'Брайен , «  Журнал полетов Аполлона  » , в журнале полетов Аполлона , НАСА , 1995–2017 (доступ на)

Смотрите также

О других проектах Викимедиа:

Статьи по Теме

внешняя ссылка