Введение
Серия орбитальных маневров для сближения двух космических аппаратов.
Космическая встреча (англ. space rendezvous) — это набор орбитальных маневров, в ходе которых два космических аппарата, один из которых часто является космической станцией, выходят на одну и ту же орбиту и сближаются на очень близкое расстояние (например, в пределах визуального контакта). Для успешной встречи требуется точное согласование орбитальных скоростей и векторов положения обоих космических аппаратов, что позволяет им поддерживать постоянное расстояние друг от друга за счет орбитального маневрирования. После встречи может быть выполнена стыковка или пристыковка – процедуры, обеспечивающие физический контакт и создание соединения между аппаратами. Та же техника встречи может применяться для "посадки" космических аппаратов на естественные объекты со слабым гравитационным полем; например, посадка на один из спутников Марса потребует согласования орбитальных скоростей, за которым последует "спуск", имеющий некоторые общие черты со стыковкой.
История
В своей первой программе пилотируемых космических полётов «Восток» Советский Союз запускал пары космических аппаратов с одной стартовой площадки с интервалом в один-два дня («Восток-3» и «Восток-4» в 1962 году, и «Восток-5» и «Восток-6» в 1963 году). В каждом случае системы наведения ракет-носителей выводили оба корабля на почти идентичные орбиты; однако этого было недостаточно для сближения, так как у «Востока» отсутствовали маневренные двигатели для коррекции орбиты и подстройки под орбиту своего двойника. Начальные расстояния между аппаратами составляли порядка [укажите величину из оригинала], и постепенно увеличивались до тысяч километров (более тысячи миль) в ходе полётов. В 1963 году Базз Олдрин защитил докторскую диссертацию под названием «Методы наведения по линии видимости для пилотируемых орбитальных встреч». Работая астронавтом НАСА, Олдрин стремился «преобразовать сложные принципы орбитальной механики в относительно простые планы полётов для своих коллег».
Первая стыковка
Первая стыковка двух космических аппаратов была достигнута 16 марта 1966 года, когда Gemini 8 под командованием Нила Армстронга встретился и состыковался с беспилотным целевым аппаратом Agena. Gemini 6 должен был стать первой миссией по стыковке, но её пришлось отменить, когда аппарат Agena был уничтожен при запуске. Советские специалисты осуществили первую автоматическую, беспилотную стыковку между «Космосом-186» и «Космосом-188» 30 октября 1967 года. Первым советским космонавтом, предпринявшим попытку ручной стыковки, был Георгий Береговой, который безуспешно пытался состыковать свой корабль «Союз-3» с беспилотным «Союзом-2» в октябре 1968 года. Автоматические системы свели корабли на определенное расстояние, после чего Береговой с помощью ручного управления приблизил их ещё ближе. Первая успешная стыковка пилотируемых кораблей произошла 16 января 1969 года, когда «Союз-4» и «Союз-5» состыковались, приняв на борт двух членов экипажа «Союза-5», которым пришлось совершить выход в открытый космос, чтобы добраться до «Союза-4». В марте 1969 года «Аполлон-9» осуществил первую пересадку членов экипажа между двумя состыкованными космическими аппаратами. Первая встреча космических аппаратов, принадлежащих разным странам, состоялась в 1975 году, когда космический корабль «Аполлон» состыковался с космическим кораблем «Союз» в рамках миссии «Аполлон-Союз». Первая множественная стыковка космических аппаратов произошла, когда к космической станции «Салют-6» в январе 1978 года были одновременно состыкованы «Союз-26» и «Союз-27».
Фазы и методы
Стандартная техника сближения и стыковки заключается в стыковке активного аппарата, "преследователя", с пассивным "объектом". Эта техника успешно применялась в программах "Джемини", "Аполлон", "Аполлон/Союз", "Салют", "Скайлаб", "Мир", МКС и "Тяньгун". Для правильного понимания сближения космических аппаратов необходимо понимать взаимосвязь между скоростью аппарата и его орбитой. Космический аппарат на определенной орбите не может произвольно изменять свою скорость. Каждая орбита соответствует определенной орбитальной скорости. Если аппарат включает двигатели и увеличивает (или уменьшает) свою скорость, он перейдет на другую орбиту, соответствующую более высокой (или более низкой) скорости. Для круговых орбит более высокие орбиты имеют меньшую орбитальную скорость, а более низкие – большую. Для осуществления орбитального сближения оба аппарата должны находиться в одной орбитальной плоскости, и фаза их орбит (положение аппаратов на орбите) должна совпадать.
Методы подхода
Два наиболее распространенных метода сближения — вдоль траектории полета космического аппарата (обозначаемый как V-bar, поскольку он соответствует вектору скорости цели) и перпендикулярно траектории полета вдоль линии радиуса орбиты (обозначаемый как R-bar, поскольку он соответствует радиальному вектору цели относительно Земли). Выбор метода сближения зависит от требований безопасности, конструкции космического аппарата и двигательной установки, графика миссии и, особенно при стыковке с МКС, от расположения назначенного стыковочного узла.
Подход в V-степене
Подход V-вектора – это маневр, при котором "преследователь" движется горизонтально вдоль вектора скорости пассивного космического аппарата. То есть, сзади или спереди, и в том же направлении, что и орбитальное движение пассивной цели. Движение происходит параллельно орбитальной скорости цели. При подходе V-вектора сзади, преследователь включает небольшие двигатели для увеличения своей скорости в направлении цели. Это, естественно, также выводит преследователь на более высокую орбиту. Чтобы удерживать преследователь на V-векторе, используются другие двигатели, работающие в радиальном направлении. Если этого не происходит (например, из-за отказа двигателя), преследователь перейдет на более высокую орбиту, что приведет к снижению его орбитальной скорости по сравнению со скоростью цели. В результате цель будет двигаться быстрее преследователя, и расстояние между ними увеличится. Этот эффект называется естественным торможением и является естественной защитой в случае отказа двигателя. Миссия STS-104 стала третьей миссией космического шаттла, выполнившей прибытие по схеме V-вектора к Международной космической станции. V-вектор, или вектор скорости, простирается по прямой линии перед станцией. Шаттлы приближаются к МКС по V-вектору при стыковке к стыковочному узлу PMA 2.
Подход к R-bar
Подход R-bar заключается в том, что преследователь движется ниже или выше целевого космического аппарата вдоль его радиального вектора. Это движение ортогонально орбитальной скорости пассивного космического аппарата. Подход R-bar по надиру также используется для полётов к МКС транспортных средств H-II Transfer Vehicle и SpaceX Dragon.
Подход к Z-степени
Подход активного, или "преследующего" космического аппарата горизонтально со стороны и ортогонально к орбитальной плоскости пассивного космического аппарата – то есть сбоку и вне плоскости орбиты пассивного космического аппарата – называется Z-образным подходом.