Wie fliegt ein Raumschiff entlang seiner Umlaufbahn? Wie finden zwei Raumfahrzeuge einander? Rendezvous und Andocken an der Raumstation

Als Rendezvous und Docking wird das gleichzeitige Zusammentreffen und Andocken zweier Raumfahrzeuge an der gleichen Position im Orbit, mit der gleichen Geschwindigkeit und Fluglage sowie die strukturelle Verbindung zu einem Ganzen bezeichnet. Dies ist eine Schlüsseltechnologie beim Bau der chinesischen Raumstation, eine Voraussetzung für das Erreichen von „1+1=1“ und eine der komplexesten Technologien für den Betrieb von Raumfahrzeugen im Orbit. Es ist in zwei Phasen unterteilt: Rendezvous und Andocken, was im Englischen Rendezvous and Docking (RVD) genannt wird.

Rendezvous kommt aus dem Französischen. Einige ausländische Kollegen erzählten mir im Gespräch, dass sie „Rendezvous“ in der alltäglichen Umgangssprache auch verwenden, um auszudrücken, dass sie sich mit jemandem an einem bestimmten Ort treffen, aber es muss ein relativ weit entfernter Ort sein, zumindest eine andere Stadt oder das andere Ende der Stadt; Ein Treffen im Nebenzimmer gilt nicht als Rendezvous. Aus dieser Sicht bedeutet Rendezvous und Andocken, dass sich die Raumfahrzeuge Tausende von Kilometern entfernt treffen und dann miteinander verbunden und zusammengebaut werden.

Wenn die beiden Raumschiffe zu einem einzigen werden, ist das Rendezvous und Andocken abgeschlossen. Und der Vorhang dazu hat sich bereits vor dem Start der Rakete geöffnet. In Bezug auf den Weltraum gehen die Elemente, die beim Rendezvous und Andocken eine Rolle spielen, weit über das andockende Raumschiff selbst hinaus. Zeitlich gesehen handelt es sich um einen Prozess, der sequenziell aus mehreren dynamischen Schritten aufgebaut ist.

Der himmlische Palast steht kurz vor seiner Fertigstellung, das Ergebnis kommt vom Anfang und der Ausgangspunkt führt zum Ende; Das neue Tool ist vielversprechend, eine kleine Bewegung kann eine tiefgreifende Wirkung haben und durch die Planung der gesamten Situation kann eine gute Situation erreicht werden. Rendezvous und Docking haben eine leistungsstarke Anmerkung für die Systemtechnik der Luft- und Raumfahrt geliefert.

▲Animation, die den Bau der chinesischen Raumstation zeigt. Quelle: CCTV

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Orbitalgesetze legen den Grundstein für Rendezvous

Warum fliegen Raumschiffe so?

Raumfahrzeuge fliegen auf Umlaufbahnen, und die Umlaufbahnen sind regelmäßig. Die Bahngesetze der Himmelskörper bilden die Grundlage für die Gestaltung von Rendezvous- und Andockmanövern.

Orbitalregel 1: Je niedriger die Umlaufbahn, desto schneller die Winkelgeschwindigkeit. Die Raumstation fliegt in einer Umlaufbahn in einer Höhe von etwa 400 km und umkreist die Erde einmal in 1,5 Stunden. Der Satellit mit synchroner Umlaufbahn befindet sich in einer Höhe von 36.000 km und umkreist die Erde einmal täglich. Der Mond befindet sich in einer Höhe von 380.000 km und umkreist die Erde einmal im Monat. Solange die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs niedriger als die der Raumstation gehalten wird, wird das Raumfahrzeug die Raumstation „natürlich“ mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit einholen. Während des Verfolgungsprozesses erhöht das Raumfahrzeug allmählich seine Umlaufbahn und seine relative Geschwindigkeit zur Raumstation nimmt allmählich ab. Wenn sich das Raumfahrzeug und die Raumstation auf derselben Umlaufbahnhöhe befinden, beträgt ihre Relativgeschwindigkeit Null und das Andocken kann erfolgen.

Rendezvous und Andocken werden oft mit dem „Einfädeln eines Nadelöhrs über tausend Meilen“ verglichen. Tatsächlich ist die Entfernung nicht proportional zum Schwierigkeitsgrad. Eine längere Fahrstrecke bedeutet nicht zwangsläufig einen höheren Kraftstoffverbrauch. Der Schlüssel liegt in der präzisen Kontrolle des Höhenunterschieds während des Fluges und des Zeitpunkts der allmählichen Erhöhung der Umlaufbahn des Raumfahrzeugs. Dies erfordert eine genaue Messung der Umlaufbahnen der beiden Raumfahrzeuge, die Kenntnis ihrer relativen Position und Geschwindigkeit in Echtzeit sowie eine genaue Berechnung und Ausführung der Umlaufbahnsteuerung. Dies sind die schwierigen Teile.

Orbitalgesetz 2: Ein Raumfahrzeug auf einer Kreisbahn führt eine annähernd gleichförmige Kreisbewegung aus. Eine gleichmäßige Kreisbewegung ist nicht nur für die Bodenverfolgung und Beobachtung von Vorteil. In Kombination mit dem Orbitalgesetz lässt sich außerdem erkennen, dass die relative Geschwindigkeit zweier Flugzeuge, die in einer Kreisbahn auf gleicher Höhe fliegen, weiterhin Null bleibt. Dadurch können wir orbitale Parkpunkte für Rendezvous und Andockmanöver einrichten.

Orbitalregel Drei: Das Ändern der Umlaufbahn innerhalb derselben Umlaufebene spart mehr Energie als das Ändern der Umlaufebene. Das Raumschiff fliegt mit einer hohen Geschwindigkeit von etwa 7 km/s in die Umlaufbahn. Da die Geschwindigkeit gerichtet ist (d. h., sie hat Vektorcharakteristik), ist, wenn ihre Richtung endlich geändert werden soll, ein Geschwindigkeitsinkrement in der gleichen Größenordnung wie die aktuelle Geschwindigkeit erforderlich. Nach dem Gesetz der universellen Gravitation ist der Bahnradius umgekehrt proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit. Wenn die ursprüngliche Richtung unverändert bleibt, kann eine relativ kleine Geschwindigkeitssteigerung eine erhebliche Höhenänderung innerhalb derselben Orbitalebene bewirken. Wenn beispielsweise in einer Umlaufbahn von 400 km die Neigung um 30° geändert werden soll, beträgt die erforderliche Geschwindigkeitssteigerung etwa 4 km/s. Innerhalb derselben Orbitalebene ist lediglich eine Geschwindigkeitssteigerung von etwa 0,3 km/s erforderlich, um die Umlaufbahn von 400 km auf 1.000 km zu erhöhen. Um dieses Gesetz voll auszunutzen, sollte bei der Planung von Rendezvous und Andockmanövern der gesamte Vorgang vom Start bis zum Andocken möglichst in derselben Orbitalebene zwischen Raumfahrzeug und Raumstation durchgeführt werden.

Orbitalgesetz 4: Die Orbitalebenen sind unterschiedlich und Raumfahrzeuge mit sich kreuzenden Umlaufbahnen können bei der Begegnung nicht die gleiche Geschwindigkeit erreichen. Aufgrund der Vektoreigenschaften der Geschwindigkeit können an den Schnittpunkten der Umlaufbahnen zwei Flugzeuge zwar gleichzeitig dieselbe Position erreichen, ihre Geschwindigkeitsrichtungen sind jedoch unterschiedlich und die Relativgeschwindigkeit kann nicht bei Null gehalten werden. Darüber hinaus ist die Relativgeschwindigkeit dieses Schnittpunkts die größte in der gesamten Umlaufzeit, wenn wir nur die seitliche Relativgeschwindigkeit senkrecht zur Umlaufebene beobachten. Wenn die Relativgeschwindigkeit der beiden in diesem Moment Null sein muss, wird eine große Menge Energie verbraucht, um die Geschwindigkeitsrichtung eines von ihnen zu ändern. Zum Andocken muss der Geschwindigkeitswechselvorgang in kürzester Zeit vollzogen werden, was einer stetigen Reduzierung der allmählich zunehmenden Annäherungsgeschwindigkeit der kreuzenden Gleise entspricht. Die Steuerungsschwierigkeiten sind relativ groß und wenn die Steuerung nicht gut ist, kommt es zu einer „natürlichen“ Kollision. Wenn es also zu einer Abweichung in den Umlaufbahnen der beiden Raumfahrzeuge kommt, muss eine Möglichkeit gefunden werden, eines der beiden (normalerweise das Raumfahrzeug) zu korrigieren, sodass sich die beiden schließlich in derselben Umlaufbahn treffen und so gute Ausgangsbedingungen für das Andocken geschaffen werden.

▲ Darstellung der relativen Geschwindigkeitsbeziehung zwischen zwei Raumfahrzeugen, deren Umlaufbahnen sich kreuzen.

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Ausgangspunkt der Rendezvous-Reise: Raketenstart

Warum ist für den Start eines Raumfahrzeugs ein „Nullfenster“ erforderlich?

Die Rakete vor dem Start und das Raumfahrzeug im Inneren der Rakete bleiben auf der Erdoberfläche. Wir können uns vorstellen, dass sich die Erde mit ihnen dreht. Vom Moment des Abhebens an bewegt sich das Raketenraumfahrzeug nicht mehr mit der Erde mit, löst sich von den direkten Zwängen der Erdoberfläche und fliegt selbstständig in den Weltraum. Der Startzeitpunkt ist daher der Ausgangspunkt für das Raumfahrzeug, um in die Flugumlaufbahn einzutreten. Von der Genauigkeit dieses Zeitpunkts hängt es ab, ob die Rakete von den erwarteten Anfangsbedingungen von der Erde weggetragen wird.

Raketen verfügen über die Fähigkeit, Abweichungen zu korrigieren. Allerdings führt eine Abweichung der Startzeit zu einer Abweichung der Umlaufbahnebene und der für die Korrektur erforderliche Energieaufwand ist groß. Daher sollte bei der Planung einer Rendezvous- und Andockmission der theoretische Startzeitpunkt durch genaue Messung und Vorhersage der Umlaufbahn der Raumstation im Voraus festgelegt werden. Anschließend sollte die Rakete durch Koordination zwischen Boden und Rakete möglichst zum theoretischen Zeitpunkt abheben. Dies ist der Ursprung des „Zeitfensters mit Nullbreite“ (auch „Punktfenster“ oder „Nullfenster“ genannt) für den Start von Raumfahrzeugen. Nach dem Start korrigiert das Steuerungssystem der Rakete während des Fluges weitere Restabweichungen, um die Genauigkeit des Eintrittspunkts in die Umlaufbahn sicherzustellen.

▲Am 16. Oktober 2021 wurde die Trägerrakete Langer Marsch 2F gestartet und schickte das bemannte Raumschiff Shenzhou 13 ins All. Quelle: Nachrichtenagentur Xinhua

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Rendezvous-Schritt 2: Eintritt in die Umlaufbahn und Verfolgung

Warum passt die Raumstation ihre Umlaufbahn vor dem Rendezvous an?

Der Orbitaleintrittspunkt dient dazu, das Raumfahrzeug zu einem bestimmten Punkt zu schicken, der sich auf derselben Orbitalebene wie die Raumstation und dahinter sowie darunter befindet. Die nachfolgenden Raumfahrzeuge werden ihre Umlaufbahnen entsprechend der geplanten Umlaufbahnänderungsstrategie schrittweise anheben und die Raumstation innerhalb der vorgesehenen Zeit einholen. Daher ist der Eintrittspunkt in die Umlaufbahn die Gestaltung der relativen Beziehung zwischen den beiden Raumfahrzeugen (Höhenunterschied und Positionsunterschied). Unterschiedliche relative Beziehungen erfordern unterschiedliche Strategien zur Bahnänderung für die Verfolgung, und eine bestimmte relative Beziehung kann auch unterschiedliche Verfolgungsstrategien haben – bei gleicher Verfolgungsdistanz gilt: Je größer der Anteil der Flugzeit in einer niedrigeren Umlaufbahn, desto schneller ist die Verfolgung und desto kürzer ist die gesamte Rendezvouszeit.

Da die beiden Raumfahrzeuge in einer relativen Beziehung zueinander stehen, kann die Raumstation im Rahmen des Rendezvous entsprechende Anpassungen vornehmen. Der Bereich des Eintrittspunkts der Rakete in die Umlaufbahn ist begrenzt. Daher besteht die gängigste Koordinierungsmaßnahme für die Raumstation darin, die Winkelgeschwindigkeit der Umlaufbahn des Raumfahrzeugs durch Erhöhen und Verringern seiner Höhe vor dem Start anzupassen, sodass die relativen Positionen der beiden beim Eintritt des Raumfahrzeugs in die Umlaufbahn genau in einem geeigneten Bereich liegen, was für den anschließenden Verfolgungsflug des Raumfahrzeugs von Vorteil ist. Wenn die Raumstation nicht angepasst wird, kann sie sich beim Eintritt in die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs in einem Winkel von 0° bis 360° vor diesem befinden. Natürlich sind die beiden Raumfahrzeuge weit voneinander entfernt, sodass das Raumfahrzeug über einen längeren Zeitraum in einer niedrigen Umlaufbahn fliegen kann. Solange es niedriger bleibt als die Raumstation, wird es immer in der Lage sein, aufzuholen.

Beide Optionen haben ihre Vor- und Nachteile. Anpassungen an der Raumstation werden Rendezvous zwischen Raumfahrzeugen mit einer relativ festen Strategie zur Änderung der Umlaufbahn erleichtern, sodass die Flugzeit relativ fest ist und die Konsistenz der Flugverfahren sowie die Koordination zwischen Boden und Weltraum besser gewährleistet sind. Wenn die Raumstation nicht angepasst wird, kann das Raumschiff jeden Tag gestartet werden (solange die Startzeit dieselbe Orbitalebene gewährleistet) und es wird weniger Einschränkungen bei der Durchführung der Mission geben, aber der Rendezvous-Zeitpunkt ist ungewiss und könnte 1 bis 5 Tage betragen. Daher entscheiden sich bemannte Raumfahrzeuge normalerweise für die erste Option, und die Raumstation kooperiert entsprechend, um sicherzustellen, dass die Rendezvouszeit nicht zu lang und sicher ist. Während Frachtraumschiffe keinen starken Beschränkungen hinsichtlich der Rendezvouszeit unterliegen und meist die letztere Option verwenden.

▲ Schematische Darstellung des radialen Rendezvous und Andockens von Shenzhou 13. Quelle: Space Technology Research Institute

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Der dritte Schritt des Rendezvous: Fernverfolgung und Annäherung im Nahbereich

Wie finden zwei Flugzeuge zueinander?

Von weit her verfolgt das Raumschiff die Raumstation.

Wenn beide weit voneinander entfernt sind, misst das Projekt die Umlaufbahnen des Raumfahrzeugs und der Raumstation separat, bestimmt ihre jeweiligen Umlaufbahnen unabhängig voneinander und formuliert darauf basierend Strategien zur Umlaufbahnänderung. Seine Umlaufbahn kann in Echtzeit von Bodenstationen gemessen und vorhergesagt oder durch Satellitennavigationsdaten des Flugzeugs ermittelt werden. Die Anwendung der globalen Beidou-Navigation ermöglicht eine genaue Umlaufbahnbestimmung in Echtzeit.

Wenn der Abstand gering genug ist, können die beiden Raumfahrzeuge einander „echoen“, und die relative Position und Geschwindigkeit zwischen den beiden kann durch die im Raumfahrzeug installierte Messausrüstung (Radar, optische Messausrüstung usw.) und die entsprechenden kooperativen Ziele, die auf der Raumstation konfiguriert sind (Transponder, optische Ziele usw.), ermittelt werden. Derzeit ist es nicht erforderlich, sich auf absolute Daten aus Bodenmessungen zu verlassen, sondern vielmehr Berechnungen der Bahnänderungen auf der Grundlage relativer Bahnbeziehungen durchzuführen. Der Grund für diese Wahl liegt darin, dass die Genauigkeit der relativen Messung umso höher ist, je geringer der Abstand ist. Nachdem die relative Beziehung der Umlaufbahnen linear vereinfacht wurde, kann der Rechenaufwand bei gleichzeitiger Gewährleistung der Genauigkeit erheblich reduziert werden. Die Berechnung kann vom Steuercomputer des Raumfahrzeugs in Echtzeit und autonom im Orbit durchgeführt werden, wodurch die Echtzeit-Natur der Handhabung weiter verbessert wird.

Die letzten etwa 100 bis 200 Meter der Rendezvousphase werden als Translationsanflugphase bezeichnet. Obwohl die beiden Raumfahrzeuge zu diesem Zeitpunkt noch unabhängig voneinander gemäß ihren jeweiligen Umlaufgesetzen fliegen, ist die Abweichung zwischen den Umlaufbahnen bereits sehr gering. Es erfordert nicht mehr zu viel Energie, um das Raumfahrzeug direkt so einzustellen, dass es geradlinige Flugbewegungen basierend auf der relativen Beziehung ausführt. Daher kann und muss in diesem Bereich eine Steuerung mit sechs Freiheitsgraden in drei Richtungen und drei Achsen sowie eine Lageregelung durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass das Raumfahrzeug und die Raumstation im Moment des Andockkontakts nicht nur die gleiche Position und relative Geschwindigkeit, sondern auch die gleiche relative Lage und Winkelgeschwindigkeit haben. Erst wenn die beiden ausgerichtet und angedockt sind, können sie in die nächste Phase eintreten, nämlich den mechanischen Montageprozess des „Andockens“.

▲Diagramm der Annäherung von Shenzhou 8 und Tiangong 1. Quelle: Nachrichtenagentur Xinhua

05

Bias-Korrektur und Einschränkungen

Was ist so schwierig an der Orbitalkontrolle?

Vom Start der Rakete in die Umlaufbahn bis hin zur Verfolgung und Annäherung der beiden Raumfahrzeuge war jeder Schritt an der richtigen Stelle. Im tatsächlichen Flug kann jeder Schritt zu Fehlern führen. Daher muss bei der Planung der Flugbahnregelung die Möglichkeit einer Bahnkorrektur berücksichtigt werden, Echtzeitberechnungen auf Grundlage der tatsächlichen Abweichungen durchgeführt und entschieden werden, ob Korrekturen vorgenommen werden sollen. Die Mess- und Berechnungsfehler in allen Phasen werden in Fehler in den Parametern der Umlaufbahnregelung umgewandelt und mit der Abweichung bei der Ausführung der Umlaufbahnänderung überlagert und spiegeln sich im Flugstatus nach der Umlaufbahnregelung wider.

Wenn das Raumfahrzeug in die Umlaufbahn eintritt, plant der Ingenieur daher nachfolgende Umlaufbahnänderungen auf der Grundlage der gemessenen Umlaufbahn, um Umlaufbahnabweichungen zu vermeiden. Nach jeder Bahnkontrolle wird die Umlaufbahn neu gemessen und die nachfolgenden Strategien und Parameter für die Bahnänderung werden auf Grundlage des aktuellen Status aktualisiert, wodurch neue, durch die vorherige Bahnänderung verursachte Abweichungen eliminiert werden, während die bestehende Verfolgungsmission abgeschlossen wird.

„Man kann nicht zweimal in denselben Fluss steigen.“ Dieser Satz des antiken griechischen Philosophen bringt die Bewegung und Veränderung aller Dinge im Universum zum Ausdruck. In diesem Sinne steht jede Phase einer Weltraummission, dargestellt durch Rendezvous und Andocken, vor einer völlig neuen Aufgabe.

Um die endgültige Andockgenauigkeit sicherzustellen, muss die Orbitalsteuerung nicht nur gemäß den oben genannten Grundsätzen geplant werden, sondern auch weniger Treibstoff verbrauchen. Daher wird die Änderung der Umlaufbahnhöhe so weit wie möglich im Apogäum und Perigäum durchgeführt und der Hohmann-Transfer wird verwendet, um eine Energieoptimierung zu erreichen. Der Wechsel der Orbitalebene wird möglichst an den Orbitalschnittpunkten durchgeführt, wodurch durch die effizienteste Steuerung Treibstoff gespart wird.

Es gibt zwei Arten von Einschränkungen, die einen größeren Einfluss auf die Implementierung des Orbit-Kontrollprozesses haben. Einer davon sind technische Bedingungen, wie etwa das Fehlen von Möglichkeiten zur Bahnbestimmung in den Anfängen der Luft- und Raumfahrttechnik. Bei der anderen Art handelt es sich um künstlich auferlegte Sicherheitsmaßnahmen. So muss etwa die letzte Phase des Rendezvous- und Andockvorgangs innerhalb des für die Messung und Steuerung sichtbaren Bogens durchgeführt werden, um eine rechtzeitige Behebung von Störungen zu ermöglichen und die Sicherheit zu gewährleisten. Die Einschränkungen variieren je nach den Bedingungen und Möglichkeiten der Missionsdurchführung und werden mit dem technologischen Fortschritt und der zunehmenden Zuverlässigkeit der autonomen Steuerung auch aufgehoben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Rendezvous eines Raumfahrzeugs ein typisches mehrzieliges Planungsproblem unter Einschränkungen ist.

▲Diagramm der Orbitalsteuerung für das Rendezvous und Andocken von Shenzhou 8-Tiangong 1. Quelle: Nachrichtenagentur Xinhua

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Rendezvous erfordert einen Stopp

Warum hält das Raumschiff an und fliegt weiter?

Die Raumstation fliegt in einer kreisförmigen Umlaufbahn. Wenn das Raumfahrzeug während der Verfolgung durch Änderung seiner Umlaufbahn eine kreisförmige Umlaufbahn auf gleicher Umlaufbahnhöhe hinter der Raumstation erreicht, bleiben der relative Abstand und die Geschwindigkeit der beiden Raumfahrzeuge unverändert und das Raumfahrzeug wird relativ zur Raumstation „geparkt“. Ein solches Einparken wird durch die orbitalen Gesetze, also die passive Sicherheit gewährleistet: Solange keine Aktion erfolgt, besteht keine Kollisionsgefahr.

Es ist notwendig, während des Rendezvous- und Andockfluges einen Parkpunkt festzulegen, der hauptsächlich in den folgenden Operationen oder Szenarien verwendet wird:

(1) Schalten Sie den relativen Messsensor um. Es ist schwierig, ein Raumfahrzeug mit nur einer Ausrüstung über Hunderte von Kilometern bis zum Andocken zu verfolgen. Daher ist ein sicherer Parkpunkt mit konstanter relativer Entfernung von der Raumstation der beste Ort zum Umschalten von Geräten mit unterschiedlichen Messentfernungen. Das heißt: Anhalten und den Gang wechseln.

(2) Fehlerbehebung. Typische Fehler, wie beispielsweise Sensoren, können am Verankerungspunkt behoben werden. Tatsächlich wird bei manchen Rendezvousplänen der Parkplatz als Punkt zur Überprüfung des Status des gesamten Systems genutzt und das Flugzeug erst freigegeben, nachdem bestätigt wurde, dass alles normal ist. Das heißt: Anhalten und prüfen.

(3) Anpassung der Andockzeit. Wenn bei der Ausführung der Orbitalsteuerung Fehler auftreten, weicht die Flugzeit von der erwarteten Zeit ab. Durch das Festlegen eines Parkpunkts kann der vorherige Flugzeitfehler „aufgefressen“ werden, um sicherzustellen, dass die nachfolgenden Schritte gemäß dem geplanten Zeitplan ausgeführt werden. Mit anderen Worten: Anhalten und korrigieren. Diese Anpassungsfähigkeit ist für Rendezvouspläne mit zeitlichen Einschränkungen wie Messung, Steuerung und Sichtbarkeit während der Andockphase sehr wichtig.

(4) Lösen Sie das Problem der Störung optischer Sensoren durch Sonnenlicht. Einfach ausgedrückt bedeutet dies, dass man bei grellem Sonnenlicht am Ankerplatz wartet und nach Sonnenuntergang ablegt.

Der Parkplatz kann hinter oder vor der Raumstation eingerichtet werden. Um sich der Raumstation vom hinteren Parkpunkt aus weiter zu nähern, ist es notwendig, die Umlaufbahn leicht abzusenken, dann die Umlaufbahn anzuheben und nach der Annäherung zu parken. Bei einer Annäherung aus Vorwärtsrichtung würde man zunächst die Umlaufbahn anheben, warten, bis sich die Raumstation nähert, und dann die Umlaufbahn absenken, um zu parken. Dieser Vorgang würde sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung wiederholt, bis die Phase der Translationsnäherung erreicht wäre.

▲ Die Parkpunkteinstellung während des manuellen Rendezvous und Andockens von Shenzhou 9 und Tiangong 1. Quelle: CCTV

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Radiales Rendezvous hat Vor- und Nachteile

Warum dockt das Raumschiff nicht seitlich an die Raumstation an?

Zusätzlich zur Verwendung von Parkpunkten, um sich der Raumstation von vorne und hinten bis zum endgültigen Andocken zu nähern, kann sich das Raumfahrzeug der Raumstation auch von unten und entlang des Erdradius nach oben nähern, bis es andockt. Am 16. Oktober 2021 wurde das bemannte Raumschiff Shenzhou 13 erfolgreich gestartet und absolvierte das erste radiale Rendezvous und Andockmanöver meines Landes.

Die beiden Raumfahrzeuge bleiben beim radialen Rendezvous in derselben Orbitalebene, was hinsichtlich Energieverbrauch und endgültigen Andockbedingungen immer noch relativ ideal ist. Durch radiales Rendezvous kann die Raumstation ihre Kapazität zur Aufnahme besuchender Raumfahrzeuge erhöhen, ohne ihre Fluglage zu ändern. Gleichzeitig hat die Raumsonde dank des sauberen Weltraumhintergrunds gute Bedingungen, um die Raumstation während des radialen Rendezvous von oben zu beobachten.

Die Schwierigkeit des radialen Rendezvous wird auch durch die Gesetze der Umlaufbahn verursacht. Da sich das Raumfahrzeug immer niedriger als die Raumstation befindet, kann es die Winkelgeschwindigkeitseigenschaften der Umlaufbahn nicht zum passiven Parken nutzen. Wenn ein Parken erforderlich ist, muss Kraftstoff für die kontinuierliche Steuerung verwendet werden. Darüber hinaus befindet sich das Raumfahrzeug während des radialen Rendezvous in einer „aufrechten“ Haltung, wobei sein Kopf zum Himmel und sein Heck zum Boden zeigt. Die Anordnung von Geräten wie Erdsensoren sowie Mess- und Steuerantennen, die sich an die normale Fluglage parallel zum Boden anpassen, muss speziell entworfen oder angepasst werden.

Die Vorwärts-, Rückwärts- und Radialrichtung innerhalb derselben Orbitalebene sind die üblicherweise verwendeten Öffnungen für die Raumstation, um besuchende Raumfahrzeuge aufzunehmen. Dies sind auch die Andockrichtungen für Tianzhou-2, Tianzhou-3 und Shenzhou-13, die sich derzeit im Orbit der Raumstation befinden. Der Grund, warum das laterale Andocken normalerweise nicht direkt durchgeführt wird, wurde im Orbitalgesetz 4 erläutert, das im ersten Abschnitt dieses Artikels erläutert wird. Beim seitlichen Rendezvous und Andocken befinden sich die beiden Raumfahrzeuge in unterschiedlichen Umlaufbahnen und die Relativgeschwindigkeit ist am Schnittpunkt der beiden Umlaufbahnen am höchsten. Wenn Rendezvous und Andocken durchgeführt werden, ist die Steuerung schwierig und die Sicherheit mangelhaft. Wenn die Kabine also endgültig an den seitlichen Andockanschluss angeschlossen werden muss, wird sie im Allgemeinen anterior, posterior oder radial angedockt und dann mit Hilfe eines Roboterarms oder eines Transfermechanismus zur Seite „verschoben“.

▲ Schematische Darstellung des an den vorderen, hinteren und radialen Anschlüssen des Tianhe-Kernmoduls angedockten Raumfahrzeugs. Quelle: 36kr

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Automatischer und manueller Modus koexistieren

Warum ist unter hochpräzisen automatischen Steuerungsbedingungen ein manuelles Rendezvous erforderlich?

Es gibt zwei Schnittmodi: automatisch und manuell.

Der gesamte Rendezvousflug basiert auf der Berechnung der Umlaufbahn. Erst wenn die Translations- und Annäherungsphase erreicht ist und die relative Bewegung des Raumfahrzeugs mit der direkten Beobachtung, dem Körperhaltungsgefühl und den Steuerungsgewohnheiten der Astronauten übereinstimmt, kann der Human-in-the-Loop, also die menschliche Beteiligung am Steuerungsprozess, realisiert werden. Um die Sicherheit zu gewährleisten, wird das Projekt bereits in dieser Phase ein automatisches Steuerungssystem verwenden, um die Grundlage des Raumfahrzeugs aufrechtzuerhalten. Auf dieser Grundlage müssen die Astronauten lediglich die Translationssteuerung und die Lageanpassung durchführen.

Ein großer Vorteil des manuellen oder vom Menschen gesteuerten Rendezvous-Modus ist jedoch seine gute Steuerungsgenauigkeit, die auf der präzisen stereoskopischen Sicht des menschlichen Auges und der feinen Steuerungsfähigkeit des menschlichen Gehirns und der Finger beruht. Nach dem Training können Astronauten eine extrem hohe Beobachtungs- und Steuerungsgenauigkeit erreichen. In den Anfängen der Verifizierung von Rendezvous- und Dockingtechnologien war die automatische Steuerung aufgrund der damaligen technischen Beschränkungen bei Messsensoren, Steuercomputern und anderen Geräten nicht so präzise wie die menschliche Steuerung. Als die Sowjetunion einen neuen Andockmechanismus testete, nutzte sie für den letzten Rendezvous- und Andockvorgang eine manuelle Steuerung, um eine bessere Steuerungsgenauigkeit zu erreichen.

Die moderne automatische Steuerung ist ausreichend genau und stabil, die menschliche Steuerung wird jedoch immer noch als redundantes Mittel beibehalten. Denn Maschinen können die Fähigkeit des Menschen, Situationen vor Ort zu bewältigen, nicht ersetzen. Wenn bei großer Nähe zwischen zwei Raumfahrzeugen eine Anomalie auftritt, kann das Echtzeit-Eingreifen vom Boden aus nicht so gut sein wie das der Astronauten vor Ort. Die Astronauten können umfassende Urteile fällen und die Situation bewältigen, was der Gewährleistung der Sicherheit förderlicher ist. Aufgrund dieses Vorteils gelang es den Astronauten der Sojus T-13, durch manuelle Bedienung das Rendezvous und Andocken an die außer Kontrolle geratene Raumstation Saljut 7 durchzuführen und die Raumstation anschließend zu reparieren und wiederherzustellen. Zu diesem Zeitpunkt befand sich Saljut-7 in einem völlig unkontrollierten freien Driftzustand (glücklicherweise war die Winkelgeschwindigkeit nicht groß). Die Sojus T-13 umkreiste es zunächst und beobachtete es, dann folgte sie ihm, zielte auf die Andockstation, näherte sich ihm und dockte an ihm an. Bei einem nicht kooperativen und unkontrollierten Ziel wie Saljut-7 können der Endanflug und das Andocken nicht mithilfe der oben beschriebenen Bahngesetze geplant und optimiert werden, da sein Zustand im Voraus unbekannt ist. Nur durch die Beurteilung auf Grundlage von Beobachtungen vor Ort und die Formulierung von Lösungen können Schwierigkeiten überwunden und erfolgreich umgesetzt werden.

▲Saljut 7 wurde vor dem Andocken von der russischen Sojus T13 fotografiert. Quelle: arstechnica

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Von zwei Tagen bis 6,5 Stunden

Wie wird ein schnelles Rendezvous erreicht?

Am 17. Juni 2021 bildete das bemannte Raumschiff Shenzhou XII eine Kombination mit dem Kernmodul Tianhe, und die gesamte Rendezvous- und Andockzeit wurde von den normalerweise zwei Tagen, die bemannte Raumschiffe meines Landes in der Vergangenheit benötigten, auf 6,5 Stunden verkürzt.

Ein schneller Rendezvous-Prozess bedeutet, dass das erforderliche Rendezvous und die Bahnänderung innerhalb möglichst weniger Flugkreise und an wenigen orbitalen charakteristischen Punkten durchgeführt werden. Daher kann die Rendezvouszeit durch die Planung weniger Gleiswechsel und kürzerer Intervalle zwischen den Gleiskontrollen effektiv verkürzt werden. Dies wiederum erfordert andere Voraussetzungen:

(1) Die Rakete verfügt über eine hohe Genauigkeit beim Einschwenken in die Umlaufbahn. Da der erforderliche Anpassungs- und Korrekturaufwand gering ist, müssen nicht zu viele Orbitalkontrollen eingeplant werden.

(2) Die Umlaufbahn wird in Echtzeit präzise gemessen. Dieser Zustand wurde mit Unterstützung des globalen Navigationssystems Beidou erreicht.

(3) Echtzeit-Orbit-Kontrollplanung und genaue Berechnung. Unter der Voraussetzung, dass Beidou eine Echtzeit- und genaue Umlaufbahnbestimmung ermöglicht, verfügt der Bordcomputer des Raumfahrzeugs entweder über eine ausreichend hohe Rechenleistung, um die Umlaufbahn unabhängig zu planen und zu steuern. oder der Boden hat ausreichend Zeit, um Parameter zur Bahnsteuerung einzugeben, und der Zeitpunkt der Eingabe stellt keine Einschränkung dar.

(4) Die Genauigkeit der Bahnregelung ist hoch genug, so dass keine neuen Abweichungsterme entstehen, und die Abweichung ist klein genug, um die geplante Anpassungskapazität nicht zu überschreiten.

Daher ist die Realisierung eines schnellen Rendezvous das Ergebnis der allgemeinen Leistungsverbesserung und der koordinierten Gewährleistung des großen Systems, das aus Boden, Trägerrakete, Flugzeug, Navigations- und Relaissatelliten usw. besteht.

▲Shenzhou XII bereitet sich auf das Andocken an das Tianhe-Kernmodul vor. Quelle: CCTV

Weiter: Andocken

01

Anfangsbedingungen beim Andocken

Unter welchen Umständen ist ein Andocken möglich?

Der Endpunkt des Rendezvous ist der Startpunkt des Andockens. Zu diesem Zeitpunkt liegen die seitliche Position und Geschwindigkeit, die dreiachsige Fluglage und die Winkelgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs relativ zur Raumstation so nahe wie möglich bei Null, und nur die axiale Flugrichtung behält die voreingestellte Annäherungsgeschwindigkeit bei. Das Projekt verwendet den Status dieser Parameter als Bedingungen für den Beginn des Andockens. Dieser Zustand ist das Rendezvous-Steuerziel für das Flugsteuerungssystem und der anfängliche Bereich, der für das Andocksystem berücksichtigt werden muss. Aus der Gesamtperspektive des Systems gilt: Je höher die Genauigkeit des Rendezvous-Endpunkts, desto besser, und je größer der Toleranzbereich des Andockmechanismus, desto besser. Dies ist auch die Schnittstelle, an der bei der Zuweisung von Systemdesignindikatoren ein Spielraum gelassen werden muss.

In diesem Moment schloss das Rendezvoussystem die „Übergabe“ ab und der Staffelstab der Rendezvous- und Andockmission wurde an das Andocksystem übergeben.

Am Ende des Rendezvousfluges hatten die beiden Raumfahrzeuge „1+1“ erreicht. Durch das anschließende Andocken erreichen die beiden ein „=1“ in der Kabinenstruktur und werden so zur Grundlage für das „=1“ der Kabinenressourcen wie Bewegungssteuerung, Energie, Informationen und Umgebung.

▲Shenzhou 10 trifft sich mit Tiangong 1 und dockt dort an. Quelle: CCTV

02

Vom einzelnen Raumfahrzeug bis zum komplexen

Wie viele Schritte sind zum Andocken nötig?

Als physikalischer Vorgang, bei dem die mechanische Verbindung zwischen zwei Flugzeugen hergestellt und eine starre Kombination gebildet wird, umfasst das Andocken im Wesentlichen drei Schritte.

(1) Kontakt, Akzeptanz und geometrische Positionskorrektur.

Im vorherigen Artikel wurde die Bahnkorrektur erwähnt, die während des Rendezvousflugs durchgeführt wird, um Fehler zu beseitigen. Wenn der Rendezvousflug abgeschlossen ist, stimmen Position, relative Geschwindigkeit, relative Lage und Winkelgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs und der Raumstation überein, d. h. sie sind ausgerichtet. Die Abweichung besteht jedoch weiterhin. Daher besteht der erste Schritt, nachdem die Andockmechanismen der beiden Flugzeuge miteinander in Kontakt gekommen sind, darin, die anfängliche Abweichung zu beseitigen, den mechanischen Vorrichtungen beider Parteien die gegenseitige Akzeptanz zu ermöglichen und ihre relative Positionsbeziehung zu korrigieren, um eine vollständige „Ausrichtung“ zu erreichen. Diese Aktion ähnelt der Aktion zum Ausrichten des Schraubenlochs beim Festziehen einer Schraube.

Unsere traditionelle Zapfenverbindungskonstruktion wird häufig beim Hausbau auf der Erde verwendet. Bei genauer Betrachtung fällt auf, dass der Zapfenkopf etwas dünner und der Zapfenlocheingang etwas breiter ist. Die Kontaktflächenstruktur der Raumkopplung ähnelt einer komplexeren Zapfenverbindung. Durch spezielle geometrische Führungsmerkmale können die beiden Andockmechanismen der Raumfahrzeuge näher und besser ausgerichtet werden, sodass sie nahtlos und inklusiv ineinandergreifen. Zu dieser Art der Aufnahme und Korrektur gehören eine Stab-Kegel-Kombination, eine Ring-Kegel-Kombination und eine außen schmale, innen breite Führungsklappenkombination. Der Schraubenkopf und der Schraubenlochrand, die wir üblicherweise sehen, sind ein Paar Kegelflächenkombinationen, und die Führungsklappen sind wie zwei Hände mit gespreizten und ineinander gesteckten Fingern.

Um zu verhindern, dass sich die relative Beziehung zwischen den beiden Raumfahrzeugen ändert, werden sie nach der Positionskorrektur vom Erfassungsmechanismus zu diesem Zeitpunkt gegenseitig „gegriffen“, sodass sie sich nicht voneinander trennen.

▲Russlands Stab-Kegel-Andockmechanismus. Quelle: ESA

(2) Kollisionsenergie puffern und verbrauchen.

Wenn massive Raumfahrzeuge mit hoher Geschwindigkeit aufeinandertreffen, kann die Aufprallenergie beträchtlich sein, selbst wenn die Geschwindigkeit relativ niedrig ist. Mindestens eines der Raumfahrzeuge und die Raumstation müssen mit Puffer- und Energieableitungsvorrichtungen ausgestattet sein, um Aufprallüberlastungen abzumildern und Aufprallenergie abzuleiten oder zu absorbieren.

Federdämpfung und hydraulische Servomechanismen sind Pufferungsformen, die sich mit der Entwicklung der Dockingtechnologie kontinuierlich weiterentwickelt haben. In den letzten Jahren wurden auch Forschungen zu elektromagnetischen Dämpfungsvorrichtungen durchgeführt. Das adaptive elektromagnetische Gerät kann die Aufgaben der Energieerfassung und -pufferung integrieren. Sein größter Vorteil besteht darin, dass er durch die Hinzufügung einer aktiven Steuerverbindung eine schonende Erfassung erreichen und sich durch die Anpassung elektromagnetischer Parameter an eine größere Bandbreite an Andockfahrzeugmassen und anfänglichen Andockbedingungen anpassen kann.

In der tatsächlichen Technik wird das Pufferdämpfungssystem nur am Andockmechanismus des Raumfahrzeugs installiert, der als „aktiver Andockmechanismus“ bezeichnet wird. Die Raumstation ist mit einem „passiven Andockmechanismus“ ohne Puffersystem ausgestattet. Der Vorteil davon ist, dass es keine komplexen Strukturen auf einer Seite der Raumstation gibt, die dem langfristigen Flug förderlich sind. Obwohl die Struktur auf einer Seite des Raumfahrzeugs aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer komplex ist, ist es nicht schwierig, vor Ort zu entwerfen und aufrechtzuerhalten.

▲ Das Puffer- und Dämpfungssystem am Shenzhou 8 -Raumschiff. Quelle: Nachrichtenagentur Xinhua

(3) Mechanische Verbindung.

Nachdem die Kollisionsenergie der beiden Raumfahrzeuge gepuffert und absorbiert wurde, werden die beiden Docking -Endflächen näher gezogen und zusammengebracht und dann durch ein mechanisches Schlosssystem streng in eins angeschlossen. Zusätzlich zur Gewährleistung einer ausreichenden Verbindungssteifigkeit und der tragenden Kapazität für bemannte Raumfahrzeuge ist es auch erforderlich, um die Versiegelung zwischen den beiden Raumfahrzeugen zu erreichen, um sicherzustellen, dass das Personal durch den Dockingkanal der beiden Raumfahrzeuge reisen kann. Ähnlich wie beim Konfigurationsprinzip des Puffersystems wird ein Gummi -Dichtungsring normalerweise auf einer Seite des Raumfahrzeugs konfiguriert und eine Metalldichtungsfläche auf der Raumstation -Seite konfiguriert.

Die Konnektivität der Kabinenumgebung nach dem Docking hat einen interessanten Entwicklungsprozess durchlaufen. Die erste Generation von Docking -Mechanismen für bemannte Raumschiffe zielte darauf ab, die Rendezvous- und Docking -Technologie zu durchbrechen, und berücksichtigte den Zusammenhang mit versiegelten Kabinen nicht. Mit anderen Worten, der Docking -Mechanismus ist "solide" und fixiert. Am 16. Januar 1969 führten die Astronauten den ersten bemannten Rendezvous und Docking nach dem Sowjetunion-Raumschiff der Soyuz-4 und Soyuz-5 erfolgreich durch, indem sie aus der Kabine das "Nebenzimmer" gingen. Der spätere Stangenmechanismus der Stabkreis des Stabkabinens der zweiten Generation wurde so konzipiert, dass sie nach dem Docking flippig und zerlegt werden konnten. Später erschien ein peripherer Docking -Mechanismus. Der Mechanismus wurde in einer Ringform mit einer Tür in der Mitte angeordnet. Nachdem die aktiven und passiven Docking -Mechanismen angedockt worden waren, wurde ein Docking -Kanal gebildet, der eine versiegelte Kabinenumgebung bauen konnte, die die beiden Flugzeuge direkt angeschlossen hatte.

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Zu diesem Zeitpunkt sind die beiden Raumfahrzeugstrukturen fest mit einer Kombination verbunden, die elektrischen Schaltkreise und Flüssigkeitswege sind verbunden und die bemannte Umgebung ist angeschlossen. Die physische Basis von "1+1 = 1" wurde vollständig erfüllt.

Gleichzeitig muss das Raumschiff nach Abschluss der Mission als Transportmittel für die Reise zwischen der Erde und dem Himmel und als nicht permanent angedocktes Flugzeug zuverlässig getrennt sein. Daher kann das Docking -Sperrsystem gesperrt und entsperrt werden und muss ein Mechanismus sein, der sich umgekehrt bewegen kann. Um die Zuverlässigkeit der Trennung zu gewährleisten, sind einige Docking -Mechanismen mit Pyrotechnik im Schlosssystem ausgestattet, damit die Verbindung im Falle eines Ausfalls "auseinandergeblasen" werden kann.

Typischerweise liefert ein Federmechanismus die Leistung für die Trennung, wodurch die beiden Flugzeuge eine bestimmte anfängliche Trennungsgeschwindigkeit aufweisen können. Der entscheidende Punkt des Entwurfs des Federmechanismus besteht darin, sicherzustellen, dass eine stabile Trennkraft nach langfristiger Kompression aufrechterhalten und durch einen Leitmechanismus unterstützt werden kann, so dass die relative Winkelgeschwindigkeit der beiden Flugzeuge klein genug ist, um sich sicher in Form der Übersetzung zu trennen.

▲ Das Raumschiff des Frachtdrachen verlässt die internationale Raumstation. Quelle: NASA

03

Docking -Dynamikprobleme

Wie kann man sicherstellen, dass das Raumschiff die Raumstation nicht umsteigt?

Wie bereits erwähnt, wird das Docking Wirkungsenergie erzeugen. Zusätzlich zu den Puffer- und energieabsorbierenden Geräten des Raumfahrzeugs gibt es im Weltraumstationsprojekt mehrere Entwürfe, die sich auf dieses Problem beziehen.

Erstens isoliert das auf dem aktiven Docking -Mechanismus konfigurierte Pufferdämpfungssystem während des Docking -Kollisionsprozesses die beiden Flugzeuge selbst, und der tatsächliche Effekt entspricht dem Treffer des Ziels mit den äquivalenten dynamischen Eigenschaften dieses Systems (und nicht den Eigenschaften des gesamten Flugzeugs). Durch die Gestaltung der dynamischen Parameter dieses Systems kann es sich daher an verschiedene Docking -Ziele und verschiedene Docking -Anfangsbedingungen anpassen.

Zweitens, um den Puffer- und Dämpfungsprozess nicht zu beeinträchtigen, müssen beide Raumschiffe nach dem Docking die Einstellungsregelung stoppen und die Kombination in einem freien Driftzustand befindet. Zu diesem Zeitpunkt verfügt das Puffersystem nicht mehr mit Energieeinsatz und muss nur die Energie der Docking -Auswirkungen verbrauchen.

Drittens ist eines der schwierigeren Probleme bei der Dockingdynamik das Docking unter exzentrischen Bedingungen, wodurch der Docking -Mechanismus in der Lage ist, großen exzentrischen Flippinglasten standzuhalten und die Eingangsenergie in diese Richtung zu absorbieren. In dem kooperativen Projekt, das US -Space Shuttle mit der sowjetischen Mir Space Station zu docken, wurde der Hafenhafen des Space Shuttle auf der Rückseite weit vom Massenzentrum entfernt. Darüber hinaus konnte der vorhandene Docking -Mechanismus aufgrund der riesigen Masse des Flugzeugs das Docking unter diesen Bedingungen zu diesem Zeitpunkt nicht abschließen. Zu diesem Zweck entwickelte die Sowjetunion speziell den APAS-89-Docking-Mechanismus, der zum ersten Mal eine nach innen gedrehte Layout von Führungsklappen einnahm, um die Größe der Hauptstruktur zu erweitern und die tragende Kapazität zu verbessern, und angeschlossene elektromagnetische Dämpfer in Reihe im Puffersystem. Die Vereinigten Staaten modifizierten das Kontrollschema auch unter Verwendung der Übersetzungsmotoren am Kopf und am Schwanz des Space -Shuttles, um Jet -Impulse auszuführen, nachdem sie den Kontakt angedockt hatten, um das Flippendrehmoment teilweise auszugleichen. Mit der technischen Zusammenarbeit beider Seiten haben das Space Shuttle und Mir viele Male erfolgreich angedacht.

Exzentrizität ist in Radialverbindungen üblich. Dies ist auch der Grund, warum während des radialen Dockens des Shenzhou XIII -Raumfahrzeugs meines Landes der freie Driftablenkungwinkel der Raumstation während der Einstellungskontrolle viel größer war als die Driftwinkel früherer axialer Docking.

▲ APAS-89 Docking-Mechanismus an der Mir-Raumstation und dem Mir-Space-Shuttle-Docking. Quelle: NASA

04

Der Vorschlag und die Anwendung von Heteromorphismus

Warum sehen Docking -Mechanismen nicht gleich aus?

Wenn das Raumfahrzeug mit der Raumstation anschließt, sind die mechanischen Docking -Geräte auf den beiden Raumfahrzeugen unterschiedlich, eines aktiv und das andere passiv. In den 1970er Jahren schlugen Forscher von Docking -Institutionen ein Designkonzept vor: heterogene Körper mit derselben Struktur. Das englische Wort Androgynous stammt aus Latein und bedeutete ursprünglich Hermaphrodite. Es ist immer noch ein Begriff in Zoologie und Botanik.

Der Kern von "heterogenen Körpern mit derselben Struktur" ist, dass die Docking -Mechanismen an den aktiven und passiven Enden genau gleich sind und zwei Flugzeuge aktiv und passiv miteinander andocken können. Wenn es vollständig realisiert ist, können Flugzeuge im Orbit nach Belieben miteinander anlegen, was zumindest die gegenseitige Rettung erheblich erleichtern kann.

▲ Abbildung des Konzepts der Heterogenität

Das perfekte Konzept heterogener Körper mit derselben Struktur wurde in der Luft- und Raumfahrttechnik der Welt nicht vollständig verwirklicht, aber in einigen Aspekten wie der Akzeptanz von Docking -Mechanismen sowie Leit- und Korrekturgeräten gut angewendet. Der im vorherige Abschnitt erwähnte sowjetische Docking -Mechanismus wurde als APAs (Androgynous Peripheral Attachment System) bezeichnet, das als "hermaphroditisches/heterogenes peripheres Docking -System" übersetzt werden kann. Sowjetische Designer machten die geometrischen Merkmale der konischen Führung zu einer antisymmetrischen bletalähnlichen Struktur, sodass ihre Blütenblätter, wenn sie sich gegenseitig einander "Blumen" gegenübersehen, ineinander eingeführt werden können. Die erste Generation des heterogenen, aber identischen Docking-Mechanismus APAS-75 wurde im ASTP-75 Sojauz-Apollo-Docking-Projekt verwendet. Die Vereinigten Staaten und die Sowjetunion haben die gleichen nach außen gedrehten Führungsventile gemäß den vereinbarten Größenspezifikationen gemacht und sie mit Pufferdämpfungsgeräten ausgestattet, die von jeder Seite entwickelt wurden. Das Raumschiff beider Seiten wechselte abwechselnd aktiv und passiv und erreichte erfolgreich zwei "Weltraumhandshakes".

Dieses Design vereinte effektiv das Hauptstrukturdesign des aktiven/passiven Docking -Mechanismus und wurde von Entwicklern aus verschiedenen Ländern akzeptiert. Der sowjetische/russische Docking-Mechanismus wurde auf APAS-89 und APAS-95 mit aktiven und passiven Puffergeräten aufgerüstet, aber die Leitstruktur blieb gleich und ist immer noch in der internationalen Raumstation in Betrieb. Der neu entwickelte adaptive elektromagnetische Docking -Mechanismus in Europa verwendet auch ähnliche Leitfaden. Der Docking-Mechanismus meines Landes gehört auch zum heteromorphen isomorphen peripheren Docking-Mechanismus mit nach innen gedrehten Führungsventilen.

▲ Der heterogene Docking-Mechanismus in der Sojus-Apollo-Docking-Mission. Quelle: Mir Hardware Heritage

Die Sowjetunion/Russland und die Vereinigten Staaten versuchten sehr früh, Docking -Mechanismusstandards zu standardisieren und zu vereinen, und nach mehreren Diskussionen mit Ländern, die an der internationalen Raumstation teilnahmen, entwickelten sie Docking -Schnittstellenstandards. Tatsächlich ist dieser Standard für alle Länder nicht bindend. Aufgrund technischer und nichttechnischer Gründe entsprechen sogar Russland und die Vereinigten Staaten selbst den Standard nicht. Darüber hinaus ist der Entwicklungs- und Verwendungszyklus des Docking -Mechanismus lang. Laut unvollständigen Statistiken gibt es vier inkompatible Docking- und Liegesysteme, die nebeneinander koexistieren und Dienstleistungen auf der internationalen Raumstation anbieten, darunter drei Paare von APAS-89 auf der US-Seite, mehr als 16 Paare von CMB- und 13 "Stabkon" -Systemen auf der russischen Seite, einschließlich zwei inkompatibler modifizierter Vergleiche. Ein realistischerer Ansatz, als die Konsistenz der Docking -Schnittstelle zu lösen, besteht darin, den Docking -Mechanismus des Unternehmens zu verwenden, mit dem Sie sich anfangen. Zum Beispiel muss das von der ESA entwickelte ATV-Frachtraumschreiber mit dem russischen Segment anlegen, sodass es den in Russland hergestellten Docking-Mechanismus direkt kauft und installiert.

Die "universelle Harmonie" von Dockingagenturen ist ideal, und die idealere Situation ist, dass überhaupt keine Dockingagenturen erforderlich sind. Beim Zusammenbau von Kabinensegmenten am Boden kann die Dockinggenauigkeit durch Verwendung von Werkzeugausrüstungen und einfachem Anziehen der Schrauben sichergestellt werden. Am Himmel muss jedoch ein Docking -Mechanismus verwendet werden, um die mangelnde Assemblierungsgenauigkeit zu kompensieren, die durch Raumtrendezvous -Abweichung verursacht wird. Wenn die Rendezvous -Kontrollgenauigkeit in Zukunft hoch genug ist, kann sich der Docking -Mechanismus direkt zu einem automatischen Montagemechanismus entwickeln, um eine effizientere Montage von Raumeinrichtungen zu erreichen.

▲ Der in Russland hergestellte Docking-Mechanismus des europäischen ATV-Frachtraumfahrzeugs. Quelle: ESA

05

Roboterarme als eine andere Docking -Option

Warum hat die traditionelle Docking -Methode noch Vorteile?

In frühen Raumaktivitäten waren die Umlaufbahnbestimmung und die autonomen Mess- und Kontrollfähigkeiten des Raumfahrzeugs relativ schwach. Um Systemziele zu erreichen, wurde reife mechanische Technologie so weit wie möglich verwendet, um die Toleranz des Docking -Mechanismus zu erweitern. Daher ähnelten die Docking-Mechanismen zu diesem Zeitpunkt dem Stabkegeldesign, und die anfängliche Docking-Abweichung könnte bis zu 30 cm sein. Mit der Entwicklung der Technologie und der Verbesserung der Mess- und Kontrollkapazitäten der Umlaufbahn hat sich der Bereich der anfänglichen Dockingbedingungen verringert und der Docking -Mechanismus kann mit reduzierten Toleranzen und Leitstrukturen und einem verringerten Volumen und Gewicht raffinierter gemacht werden. Der genaue Schnittpunkt reduziert die Auswirkungsenergie und vereinfacht damit das energieabsorbierende Gerät. Dies führte zur Entwicklung schwacher Impact -Docking -Mechanismen sowie zur Technologie und die Anwendung von Roboterarm -Erfassungen und -Docken.

Die Lösung des Erfassens und Anschlusses mit dem Roboterarm besteht darin, den Endpunkt des Raumfahrzeugs Rendezvous als schwebender Punkt in der Nähe des Ziels festzulegen und die Annäherungsgeschwindigkeit der anfänglichen Docking -Bedingung auf Null zu steuern. Diese Lösung nutzt die funktionalen Leistungsvorteile der hochpräzisen Bewegungskontrolle des Flugzeugs und des Roboterarms vollständig und verringert die Anforderungen für die Toleranz- und Pufferkapazität des Dockingmechanismus erheblich. Der Roboterarm kann als universelles Werkzeug dienen, um alle besuchenden Flugzeuge zu bedienen, und der Docking -Mechanismus der Besucher kann vereinfacht und leicht werden. Ein weiterer einzigartiger Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass nach dem Roboterarm das Raumschiff oder das Besuchsmodul erfasst, es ihn zum Docking in einen Docking -Port übertragen kann und flexiblere Optionen und einen breiteren Raum für die Montage und Konstruktion Modul bietet.

Das traditionelle Rendezvous und das Docking haben immer noch Vorteile in Bezug auf die Sicherheit: Wenn der Docking -Prozess abnormal ist, kann das Raumfahrzeug jederzeit evakuiert werden und das Raumschiff kann während des Flugs der Kombination jederzeit getrennt werden, und nur ein Raumschiff muss das Docken beenden oder evakuieren. Wenn ein Roboterarm verwendet wird, um das Docking zu unterstützen, verhindert jede während des Übertragungsprozesses auftretende Anomalie eine sofortige Trennung, und der Notfall -Evakuierungsprozess ist auch viel komplizierter und langsamer. SpaceX verwendet vernünftigerweise zwei Docking -Methoden: Das Frachtdrachen -Raumschiff wird vom Roboterarm nach dem Robend und dem schwebenden Schweber gefangen, und das bemannte Dragon -Raumschiff rendet und docken direkt.

Mit der Weiterentwicklung der Technologie hat das Rendezvous und das Docking mehr Branch -Technologien mit ihren eigenen Stärken entwickelt, um sich an den segmentierten Anwendungsbedarf anzupassen und sie zu erfüllen, um die räumliche Aufgabe zu gewährleisten, von routinemäßigen Welt zu komplexen Weltraumeinrichtungen zu reisen.

▲ Schematisches Diagramm der Wiederbelebung des Roboterarms, das Raumschiff in der chinesischen Raumstation greift. Quelle: Science Popularization China

Ende:

Kreuzung und Docking im Kontext der Ingenieurphilosophie

Ab dem Moment der koordinierten Umlaufbahn der Raumstation vor dem Start des Raumfahrzeugs beginnt das Rendezvous und das Docking mit dem endgültigen Docking. Während dieses Prozesses beseitigt der Rendezvous -Flug allmählich die Abweichungen von Raketenstart- und Einstiegsorbit sowie die Abweichungen, die durch die Umlaufmessung und das Manövrieren von Orbital -Manövrierungen eingeführt werden, und schafft die Anfangsbedingungen für das Andocken am Ende des Rendezvous; Der Docking -Prozess beseitigt weiterhin die relativen Position, Geschwindigkeit und Haltung in den Kontaktmomenten der beiden Flugzeuge, Puffer und verbraucht die Wirkungsenergie und vervollständigt schließlich die physische Verbindung, wobei die Grundlage für die Verschmelzung der "1+1 = 1" -Kombination gelegt wird. Daraus können wir sehen -

Intersection and Docking ist ein komplexes System, das räumliche Elemente erweitert und verteilt und sich in Zeitkoordinaten dynamisch entwickelt und ein systematisches und wissenschaftliches Denken von Integrität, Systemizität und Korrelation trägt.

Intersection and Docking ist eine Reihe von Engineering-Design, das durch kontrollzentrierte Technologie die Gesamtoptimalität erreicht, die über Systemtechnik ausgeführt wird, um Multi-Faktor-, Mehrfachkonstruktions-, Mehrziel-, Mehrstadien- und Variabilitätsprobleme zu lösen.

Das Rendezvous und das Docking sind eine Aktivität, um groß angelegte Raumstoffe auf der Grundlage von wissenschaftlichen Gesetzen und Luft- und Raumfahrttechnologie aufzubauen, die die wissenschaftliche Praxis der Systemphilosophie, des Wissens und des Handelns sowie der Interaktion zwischen Körper (Struktur) und (Funktion) widerspiegeln.

Die chinesische Raumstation, die die oben genannte multidimensionale Erkundungsmission schultert, eilt zu ihren wissenschaftlichen, technologischen und technischen Zielen und erweitert auch unser Verständnis der Welt.

Produzent: Li Xiaoyun

Herausgeber: Guo Jianwei Qi Lijun

Korrekturlesen: Ma Yucong

Quelle: Xinhuanet Sike