Стыковка и швартовка космического корабля

Стыковка и швартовка космического корабля (англ. Docking and berthing of spacecraft) — это соединение двух космических аппаратов. Это соединение может быть временным или полупостоянным, например, для модулей космической станции. В английском языке — понятия «стыковка космических аппаратов» и «швартовка космических аппаратов» подразумевают различные процессы сближения и соединения космических аппаратов. В русском языке в обоих случаях применяется термин «стыковка космических аппаратов».

Свободно летящий корабль Прогресс перед стыковкой с МКС
Корабль SpaceX Dragon перед швартовкой, но уже захваченный механической рукой Канадарм2

Под стыковкой космического аппарата (англ. docking of spacecraft) понимается процесс автономного сближения, завершающийся соединением двух, до этого раздельно летящих, космических аппаратов[1][2] [3].

Под швартовкой космического аппарата (англ. berthing of spacecraft) понимаются операции принудительного сближения, когда неактивный модуль / транспортное средство захватывается, подтягивается и затем устанавливается в стыковочный узел другого космического аппарата, с помощью роботизированной руки. В случае с МКС применяется роботизированная рука «Канадарм2»[4]. Поскольку в обратном процессе — операции отшвартовки космического корабля (англ. un-berthing of spacecraft) , также задействуется механическая рука, управляемая с МКС, а это трудоёмкая и долгая операция, способ отшвартовки не подходит для быстрой эвакуации экипажа, в случае чрезвычайной ситуации[5].

Этапы стыковкиПравить

Соединение (сцепка) двух объектов в космосе может быть «мягким» или «жёстким». Как правило, космический корабль сначала выполняет мягкую сцепку, устанавливая контакт и фиксируя свой стыковочный разъём в разъёме целевого транспортного средства. После установления мягкого соединения и проверки давления внутри обоих кораблей, начинается переход на жёсткую сцепку, где стыковочные механизмы стягивают стыковочные узлы кораблей, образуя герметичное уплотнение. После выравнивания давления внутри кораблей, экипаж открывает внутренние люки для перемещения экипажа и груза.

ИсторияПравить

Стыковка космических кораблей (англ. docking of spacecraft)Править

 
Первая стыковка была произведена между космическим кораблём Джемини-8 и неуправляемым КА Agena 16 марта 1966 года.

Способность стыковки космического корабля зависит от способности двух космических аппаратов находить друг друга и удерживать станцию на одной орбите . Впервые это было разработано Соединенными Штатами для проекта Джемини. Было запланировано, чтобы экипаж Джемини 6 встретился и вручную состыковался под командованием Уолтера Ширры с неуправляемой целевой машиной Agena в октябре 1965 года, но во время запуска машина Agena взорвалась. На пересмотренном задании «Джемини 6А» Ширра успешно выполнил рандеву в декабре 1965 года с экипажем « Джемини 7», приблизившись на расстояние 1 фута, но между двумя космическими кораблями «Близнецы» не было возможности стыковки. Первая стыковка с Agena была успешно выполнена под командованием Нила Армстронга на Джемини 8 16 марта 1966 года. Ручные стыковки были выполнены в трех последующих миссиях Джемини в 1966 году.

Программа Аполлон предусматривала стыковку и расстыковку на орбите Луны, чтобы высадить людей на Луну и вернуть их обратно. Для этого, после того, как оба корабля были отправлены с орбиты Земли к Луне, сначала пришлось выполнить операции отстыковки посадочного Лунного модуля (LM) от материнского космического корабля Apollo Command / Service Module (CSM). Затем, после завершения посадки подуля на Луну, двум астронавтам в ЛМ пришлось снова взлететь с Луны и состыковаться с CSM на лунной орбите, чтобы затем вернуться на Землю. Космические корабли были спроектированы так, чтобы обеспечить возможность перемещения экипажа внутри транспортного средства через переход между носом командного модуля и крышей лунного модуля. Эти маневры были впервые продемонстрированы на низкой околоземной орбите 7 марта 1969 года на Аполлоне 9, затем на лунной орбите в мае 1969 года на Аполлоне 10, затем в шести других миссиях посадки на Луну.

В отличие от Соединенных Штатов, которые использовали пилотируемую стыковку с ручным управлением в программах «Аполлон», «Скайлэб» и «Спейс шаттл», Советский Союз использовал автоматизированные стыковочные системы с самого начала своих попыток стыковки. Первая такая система, «Игла», была успешно испытана 30 октября 1967 года, когда на орбите автоматически состыковались две испытательные машины «Союз» «Космос-186» и «Космос-188»[6][7] Это были первые успешные стыковки. После чего началась отработка процесса стыковки пилотируемых кораблей. Испытания проводились 25 октября 1968 года с кораблем "Союз-3" на неуправляемом корабле "Союз-2"; попытка стыковки была неудачной. 16 января 1969 года между кораблями «Союз-4» и « Союз-5» была удачной. Эта ранняя версия космического корабля "Союз" не имела внутреннего туннеля перехода, но два космонавта выполнили выход в открытый космос и перешли по внешней обшивке из корабля "Союз-5" на корабль "Союз-4".

В 1970-х годах Советский Союз модернизировал космический корабль "Союз", добавив в него внутренний транспортный переход, который был задействан для перехода космонавтов во время программы космической станции "Салют", причем первое успешное посещение космической станции состоялось 7 июня 1971 года, когда " Союз-11" был пристыкован к "Салюту-1" . Соединенные Штаты повторили эту операцию, также пристыковав свой космический корабль "Аполлон" к космической станции "Скайлэб" в мае 1973 года. В июле 1975 года две страны сотрудничали в испытательном проекте "Союз-Аполлон", стыкуя космический корабль "Аполлон" с кораблем "Союз". При этом использовался специально разработанный шлюзовой стыковочный модуль, для плавного перехода из насыщенной кислородом атмосферы корабля Аполлон в корабль Союз, в котором состав атмосферы был приближен к земному.

Начиная с "Салюта-6" в 1978 году, Советский Союз начал использовать беспилотный грузовой космический корабль "Прогресс" для пополнения своих космических станций на низкой околоземной орбите, значительно увеличивая продолжительность пребывания экипажа. Как беспилотный космический корабль, «Прогресс» полностью автоматически стыковался с космическими станциями. В 1986 году стыковочная система «Игла» была заменена обновленной системой «Курс» на космическом корабле «Союз». Несколько лет спустя, космический корабль "Прогресс" получил такую же модернизацию[6]. Система «Курс» до сих пор (данные 2019 года) использовалась для стыковки с российским орбитальным сегментом МКС.

Швартовка космических кораблей (англ. berthing of spacecraft)Править

 
Структура поддержки полета в отсеке полезной нагрузки Колумбии под отметкой 180 градусов на плоскости -V3 космического телескопа Хаббла во время полета STS-109 .

(термин „швартовка“ применяется в англоязычных статьях, в русском переводе применяется термин „стыковка“)

Швартовка в космосе это захват, подтягивание и установка в стыковочный узел или в грузовой отсек, каких-либо объектов[8]. Этими объектами могут быть космические аппараты или грузы, которые можно захватить для технического обслуживания / возврата, с помощью системы дистанционного манипулятора[9][10].

Аппаратные средстваПравить

АндрогинностьПравить

Стыковочные узлы / устройства подтягивания могут быть как неандрогинными (несимметричными, например, типа "штырь-гнездо"), так и андрогинными (симметричными, одинаковыми). От этого зависит, смогут ли быть соединены или нет пара стыковочных модулей.

Ранние системы соединения космических кораблей были проектами неандрогинных стыковочных систем. Неандрогинные конструкции - это вариант, так называемого «гендерного соединения»[2], где каждый присоединяемый космический корабль имеет уникальный дизайн («мужской» или «женский») и играет определенную роль (пассивную или активную) в процессе стыковки. Эти роли нельзя поменять местами. В этой паре, два космических корабля одного "пола" не могут быть состыкованы.

Андрогинный стыковочный узел (также, как и андрогинная швартовка), напротив, имеет одинаковый интерфейс на обоих космических кораблях или устройствах швартовки. В андрогинном интерфейсе используется единый дизайн, благодаря которому, стыковочный узел может соединяться с точно таким же стыковочным узлом. Это позволяет менять роли (активную на пассивную), а также обеспечивает возможность спасения и совместную работу любой пары космических аппаратов[2].

Список механизмов / системПравить

Иллюстрация Название Метод Наличие внутреннего перехода для экипажа Тип
  Стыковочная система Gemini Стыковка Нет внутреннего перехода несимметричный (неандрогинный)
   Стыковочная система Apollo Стыковка Есть внутренний переход несимметричный (неандрогинный)
  Российская Система Стыковки (РСС) Стыковка Нет внутреннего перехода[11] несимметричный (неандрогинный)
  Стыковочная система "Контакт" Стыковка Нет внутреннего перехода несимметричный (неандрогинный)
   ССВП-G4000 Стыковка Есть внутренний переход несимметричный (неандрогинный)
АПАС-75 Стыковка Есть внутренний переход симметричный (андрогинный)
   АПАС-89 Стыковка Есть внутренний переход симметричный (Союз TM-16), несимметричный (Стыковочный узел станции МИР[12][13])
   АПАС-95 Стыковка Есть внутренний переход симметричный (Шаттл, Заря и PMA-1), несимметричный (PMA-2 и PMA-3)
   ССВП-M8000 (гибридная система стыковки) Стыковка Есть внутренний переход несимметричный (неандрогинный)
   Единый механизм пристыковки Швартовка Есть внутренний переход несимметричный (неандрогинный)
Китайское стыковочное устройство Стыковка Есть внутренний переход симметричный (Шеньчжоу)

несимметричный (Тяньгун-1)
  Система стыковки Стыковка и швартовка Есть внутренний переход симметричный (Commercial Crew Vehicle, Орион)

несимметричный (IDA)
Международный пассивно-активный стыковочный механизм Стыковка и швартовка Есть внутренний переход симметричный (андрогинный)

Адаптеры (переходники)Править

Стыковочный адаптер или адаптер устройства захвата - это механическое или электромеханическое устройство, которое облегчает подключение стыковочных узлов (СУ) или устройств захвата (УЗ), оснащённых интерфейсами разных типов. Хотя такие интерфейсы теоретически могут быть парами СУ-СУ, СУ-УЗ или УЗ-УЗ, только первые два типа были развернуты в космосе до настоящего времени. Ранее выпущенные и планируемые к запуску адаптеры перечислены ниже:

Стыковка с беспилотным космическим аппаратомПравить

Механизм мягкого захвата (SCM), добавленный в 2009 году к космическому телескопу Хаббла. SCM позволяет космическим кораблям с экипажем и без экипажа, использующим систему стыковки NASA (NDS), стыковаться с Хабблом.

 
Механизм мягкого захвата (SCM), добавленный в 2009 году к космическому телескопу Хаббла.

Стыковка на поверхности МарсаПравить

НАСА рассматривала способы стыковки марсохода Crewed Mars с жилым модулем на Марсе или с модулем возвращения[20].

См. такжеПравить

ПримечанияПравить


  1. John Cook. ISS Interface Mechanisms and their Heritage. Houstan, Texas: Boeing (1 Jan 2011). — «Docking is when one incoming spacecraft rendezvous with another spacecraft and flies a controlled collision trajectory in such a manner so as to align and mesh the interface mechanisms. The spacecraft docking mechanisms typically enter what is called soft capture, followed by a load attenuation phase, and then the hard docked position which establishes an air-tight structural connection between spacecraft. Berthing, by contrast, is when an incoming spacecraft is grappled by a robotic arm and its interface mechanism is placed in close proximity of the stationary interface mechanism. Then typically there is a capture process, coarse alignment and fine alignment and then structural attachment.». Дата обращения: 31 марта 2015.
  2. 1 2 3 International Docking Standardization. NASA (17 марта 2009). — «Docking: The joining or coming together of two separate free flying space vehicles». Дата обращения: 4 марта 2011.
  3. Advanced Docking/Berthing System – NASA Seal Workshop. NASA (4 ноября 2004). — «Berthing refers to mating operations where an inactive module/vehicle is placed into the mating interface using a Remote Manipulator System-RMS. Docking refers to mating operations where an active vehicle flies into the mating interface under its own power.». Дата обращения: 4 марта 2011. Архивировано 22 сентября 2011 года.
  4. Грузовой корабль Dragon пристыковался к МКС. РИА Новости (9 марта 2020). Дата обращения: 11 марта 2020.
  5. EVA-30 concludes latest ISS commercial crew preparations - NASASpaceFlight.com
  6. 1 2 Mir Hardware Heritage Part 1: Soyuz. NASA. Дата обращения: 3 октября 2018. Архивировано 26 декабря 2017 года.
  7. History. Дата обращения: 23 июня 2010. Архивировано 24 апреля 2008 года.
  8. NSTS 21492 (Basic) "Space Shuttle Program Payload Bay Payload User's Guide" (2000), Lyndon B. Johnson Space Center, Houston Texas
  9. Японский космический корабль пришвартовался к МКС. Interfax.ru. Дата обращения: 23 сентября 2019.
  10. Dragon пристыковался к МКС. ТАСС. Дата обращения: 23 сентября 2019.
  11. Первая стыковка кораблей на орбите могла закончиться трагически. Российская газета. Дата обращения: 7 марта 2021.
  12. Kristall module (77KST) at a glance.
  13. Space Shuttle Mission STS-74 Press Kit. NASA. — «Atlantis will carry the Russian-built Docking Module, which has multi-mission androgynous docking mechanisms at top and bottom». Дата обращения: 28 декабря 2011.
  14. Apollo ASTP Docking Module. Astronautix. Дата обращения: 7 апреля 2018.
  15. Hartman. International Space Station Program Status. NASA (23 July 2012). Дата обращения: 10 августа 2012.
  16. Lupo. NDS Configuration and RequirementsChanges since Nov 2010. NASA (14 июня 2010). Дата обращения: 22 августа 2011. Архивировано 14 августа 2011 года.
  17. Hartman. Status of the ISS USOS. NASA Advisory Council HEOMD Committee (July 2014). Дата обращения: 26 октября 2014.
  18. Pietrobon. United States Commercial ELV Launch Manifest (August 20, 2018). Дата обращения: 21 августа 2018.
  19. Bayt. Commercial Crew Program: Key Drving Requirements Walkthrough. NASA (26 июля 2011). Дата обращения: 27 июля 2011. Архивировано 28 марта 2012 года.
  20. https://www.nasa.gov/pdf/464826main_SEV_Concept_FactSheet.pdf