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».

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

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». 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.

Этапы стыковки

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.

История

Стыковка космических кораблей (англ. docking of spacecraft)

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» 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. Система «Курс» до сих пор (данные 2019 года) использовалась для стыковки с российским орбитальным сегментом МКС.

Швартовка космических кораблей (англ. berthing of spacecraft)

(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. Этими объектами могут быть космические аппараты или грузы, которые можно захватить для технического обслуживания / возврата, с помощью системы дистанционного манипулятора.

Аппаратные средства

Андрогинность

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», 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.

Список механизмов / систем

Адаптеры (переходники)

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:

• Модуль стыковки ASTP: Модуль шлюза, который преобразовывает US Probe и Drogue в АПАС-75 . Построен компанией Rockwell International для миссии «Аполлон-Союз» в 1975 году.
• Герметичный стыковочный переходник (PMA) : преобразует активный Единый механизм пристыковки в АПАС-95 . Три PMA, прикрепленные к МКС, PMA-1 и PMA-2 были запущены в 1998 году на STS-88, PMA-3 в конце 2000 года на STS-92 . PMA-1 используется для соединения модуля управления Заря с узлом Unity 1, космические челноки используют PMA-2 и PMA-3 для стыковки.
• Международный стыковочный адаптер (IDA) : Преобразует АПАС-95 в стыковочную систему НАСА (NDS) . IDA будет размещен на каждом из двух открытых PMA МКС, оба из которых будут расположены на модуле Гармония. IDA-1 планировалось доставить к МКС на SpX CRS-7 и подсоединить к PMA переднего стыковочного узла модуля Гармония, но произошла авария и корабль с грузом был утерян. IDA-2 был запущен на SpX CRS-9 и подсоединён к переходнику PMA-2 переднего стыковочного узла модуля Гармония. IDA-3 - замена для IDA-1 был доставлен к МКС на SpX CRS-18 и его планируется установить на переходнике PMA-3 зенитного стыковочного узла модуля Гармония. Адаптер совместим с Международным стандартом стыковочной системы (IDSS), что является попыткой Многостороннего координационного совета МКС создать единый стандарт стыковки.

• Модуль стыковки ASTP

• Герметизирующий переходник (PMA)

• Международный стыковочный адаптер (IDA)

Стыковка с беспилотным космическим аппаратом

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.

Стыковка на поверхности Марса

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