宇宙ランデブー

宇宙ランデブー（/ ˈ r ɒ n d eɪ v uː /）は、2機の宇宙船（そのうちの1機は宇宙ステーションであることが多い）が同じ軌道に到着し、非常に近い距離（たとえば、視認範囲内）まで接近する一連の軌道操作である。ランデブーでは、2機の宇宙船の軌道速度と位置ベクトルが正確に一致している必要があり、これにより、軌道位置保持によって一定の距離を保つことができる。ランデブーの後に、宇宙船を物理的に接触させて両者をつなぐ手順である ドッキングまたはバーシングが行われる場合と行われない場合がある。

同じランデブー技術は、弱い重力場を持つ自然物体への宇宙船の「着陸」にも使用できます。たとえば、火星の衛星の 1 つに着陸するには、同様に軌道速度を一致させ、その後にドッキングといくつかの類似点を持つ「降下」を行う必要があります。

ソ連は初の有人宇宙飛行計画ボストークで、同じ発射台から1～2日間隔で2機の宇宙船を打ち上げた（ 1962年のボストーク3号と4号、1963年のボストーク5号と6号）。いずれの場合も、打ち上げロケットの誘導システムにより2機の宇宙船はほぼ同一の軌道に投入されたが、ボストークには軌道を双子の宇宙船の軌道に合わせるための操縦スラスタがなかったため、ランデブーを達成するには精度が足りなかった。当初の分離距離は5～6.5キロメートル（3.1～4.0マイル）であったが、ミッションの過程で徐々に数千キロメートル（1,000マイル以上）に広がっていった。^{[1] [2]}

1964年初頭、ソ連はポリオット1号とポリオット2号と呼ばれる2機の無人衛星を5km以内に誘導し、衛星同士の無線通信を確立することに成功した。^{[3] [4] [5]}

1963年、バズ・オルドリンは「有人軌道ランデブーのための視線誘導技術」と題する博士論文を提出した。 ^{[6] NASAの宇宙飛行士として、オルドリンは「複雑な}軌道力学を同僚のために比較的単純な飛行計画に翻訳する」ことに努めた。^[7]

NASAの最初のランデブーの試みは1965年6月3日、米国の宇宙飛行士ジム・マクディビットがジェミニ4号を操縦して使用済みのタイタンII打ち上げロケットの上段に会おうとしたときだった。マクディビットは、深度知覚の問題と、上段の推進剤の放出によりロケットが動き続けたため、軌道維持を達成できるほど近づくことができなかった。^[8] しかし、ジェミニ4号のランデブーの試みは、 NASAの技術者がプロセスに含まれる軌道力学をまだ習得していなかったことが主な理由で失敗に終わった。単にアクティブビークルの機首をターゲットに向け、推進力を与えるだけではうまくいかなかった。ターゲットが軌道上で前方にあり、追跡ビークルが速度を上げた場合、その高度も上昇し、実際にはターゲットから遠ざかる。高度が高くなるとケプラーの第3法則により軌道周期が長くなり、追跡ビークルはターゲットの上だけでなく後ろにも位置することになる。適切な技術としては、追跡機の軌道を変更してランデブーターゲットが追いつくか追いつかれるようにし、その後、適切なタイミングで、両機間の相対的な動きがない状態でターゲットと同じ軌道に変更すること（例えば、追跡機を軌道周期が短い低い軌道に乗せて追いつくようにし、その後、ホーマン転移を実行して元の軌道高度に戻す）が必要である。^[9]

GPO のエンジニアであるアンドレ・メイヤーは後に「ランデブーで何がうまくいかなかったのかについては、十分な説明がある」と述べている。乗組員は、MSC の他の全員と同様に、「関連する軌道力学を理解していなかったし、理由も説明していなかった。その結果、私たちは全員、はるかに賢くなり、ランデブー操作を本当に完璧にすることができた。これは現在アポロで使用されている」。

—  ^[9]

ランデブーは、1965年12月15日にアメリカの宇宙飛行士ウォーリー・シラーによって初めて成功しました。シラーはジェミニ6号宇宙船を姉妹機のジェミニ7号から1フィート（30センチメートル）以内に誘導しました。宇宙船は互いにドッキングする装備はありませんでしたが、20分以上も位置を維持しました。シラーは後に次のようにコメントしています。^[10]

誰かが言っていました... 3 マイル (5 km) 以内に来たら、ランデブーです。3 マイル (5 km) でランデブーできたと思っている人がいたら、楽しんでください! これが私たちの仕事の始まりです。約 120 フィート (37 m) の範囲で停止し、2 台の車両間の相対的な動きがなくなるまで、ランデブーは終了しないと思います。それがランデブーです! そこから先は、ステーションキーピングです。それが戻って、車を運転したり、飛行機を運転したり、スケートボードを押したりするゲームをすることができるときです。それくらい簡単です。

シラーは、両国の業績の違いを説明するために別の比喩を使った。^[11]

[ロシアの「待ち合わせ」は、通り過ぎる視線でした。交通量の多い大通りを歩いている男性が、反対側を歩いているかわいい女の子を見つけるのと同じです。彼は「ちょっと待って」と言いますが、彼女はもういなくなっています。それは通り過ぎる視線であって、待ち合わせではありません。

2機の宇宙船の最初のドッキングは1966年3月16日にニール・アームストロングの指揮下にあるジェミニ8号が無人のアジェナ標的宇宙船とランデブーしドッキングしたときに達成された。ジェミニ6号は最初のドッキングミッションとなる予定だったが、そのミッションのアジェナ宇宙船が打ち上げ中に破壊されたためキャンセルされた。^[12]

ソ連は1967年10月30日にコスモス186号とコスモス188号の間で初の自動無人ドッキングを実施した。^[13]

手動ドッキングを試みた最初のソ連の宇宙飛行士は、 1968年10月にソユーズ3号を無人のソユーズ2号にドッキングさせようとしたが失敗したゲオルギー・ベレゴボイであった。自動システムにより宇宙船は200メートル（660フィート）以内に接近したが、ベレゴボイは手動制御でさらに接近させた。^[14]

最初の有人ドッキングの成功^[15]は1969年1月16日、ソユーズ4号とソユーズ5号がドッキングし、ソユーズ4号に到達するために船外活動を行う必要があったソユーズ5号の乗組員2名が搭乗した時であった^[16]。

1969 年 3 月、アポロ 9 号はドッキングした 2 機の宇宙船間での乗組員の初めての内部移動を達成しました。

異なる国の宇宙船同士の最初のランデブーは1975年に行われ、アポロ・ソユーズ計画の一環としてアポロ宇宙船がソユーズ宇宙船とドッキングしました。^[17]

最初の複数宇宙ドッキングは、1978年1月にソユーズ26号とソユーズ27号の両方がサリュート6号宇宙ステーションにドッキングしたときに行われました。 ^{[引用が必要]}

ランデブーは、宇宙船が宇宙ステーションに乗組員や物資を運ぶたびに行われます。これを最初に行った宇宙船はソユーズ11号で、1971年6月7日にサリュート1号ステーションにドッキングしました^。[18] 有人宇宙飛行ミッションは、6つのサリュートステーション、スカイラブ、ミール、国際宇宙ステーション（ISS）とのランデブーに成功しています。現在、ソユーズ宇宙船は約6か月間隔でISSへの乗組員の輸送に使用されています。NASAの商業乗組員プログラムの導入により、米国はソユーズに加えて、スペースXのカーゴドラゴンの最新バージョンであるクルードラゴンを独自の打ち上げロケットとして使用できるようになりました。^[19]

ロボット宇宙船は宇宙ステーションとのランデブーや補給にも使用される。ソユーズ宇宙船とプログレス宇宙船はクルスドッキングシステムを使用してミール^[20]とISSの両方に自動的にドッキングしており、ヨーロッパの自動移送機もこのシステムを使用してISSのロシアセグメントにドッキングした。いくつかの無人宇宙船はドッキングポートではなくNASAの結合機構を使用している。日本の宇宙ステーション補給機（HTV）、スペースXドラゴン、オービタルサイエンシズのシグナス宇宙船はすべて、近いランデブーに向けて操縦し、ステーションキーピングを維持し、ISSカナダアーム2が宇宙船を掴んで米国セグメントの結合ポートに移動できるようにしている。しかし、カーゴドラゴンの更新バージョンは結合する必要がなくなり、代わりに宇宙ステーションに直接自律的にドッキングする。ロシアセグメントはドッキングポートのみを使用するため、HTV、ドラゴン、シグナスがそこで結合ポートを見つけることはできない。^[21]

宇宙でのランデブーは、ハッブル宇宙望遠鏡への最近のサービスミッションを含め、さまざまな目的で使用されています。歴史的には、宇宙飛行士を月に着陸させたアポロ計画のミッションでは、アポロ月着陸船の上昇段が月軌道のランデブー操作でアポロ司令船/機械船とランデブーしてドッキングしました。また、STS-49の乗組員は、インテルサットVI F-3通信衛星とランデブーしてロケットモーターを取り付け、軌道操作を行えるようにしました。^[要出典]

将来的には、開発中の自動化されたハッブル宇宙望遠鏡ロボット（HRV）と、燃料切れとなった静止衛星とのランデブー用に開発中のCX-OLEVによってランデブーが行われる可能性がある。CX-OLEVは軌道維持を引き継ぎ、最終的に衛星を墓場軌道に送り込み、その後CX-OLEVは別の衛星に再利用される可能性がある。静止トランスファー軌道から静止軌道への段階的な移行には、ホール効果スラスタを使用して数か月かかる。^[22]

あるいは、2 つの宇宙船がすでに一緒になっている場合は、別の方法でドッキングとドッキングを解除するだけです。

• ソユーズ宇宙船を国際宇宙ステーションまたはサリュート上のドッキングポイントから別のドッキングポイントへ移動させる^[要出典]
• アポロ宇宙船では、サターン Vロケット / LMの第 3 段のシーケンスの月周回軌道投入から 約 1 時間後に、 LM アダプター / CSM 内の転置、ドッキング、および抽出と呼ばれる操作が実行されました(打ち上げ時の下から上の順序、また現在の動きに関しては後ろから前の順序)。CSM は有人、LM はこの段階では無人でした。^[要出典]
  • CSMは分離され、LMアダプタの上部4つのパネルは処分された。
  • CSMは180度回転しました（エンジンから後方、LMに向かって、そして前方へ）
  • CSMはLMに接続され、LMはまだ第3段に接続されていた。
  • CSM/LMの組み合わせはその後第3段階から分離されました

NASAは、2機の宇宙船が互いに接近して接続する目的で宇宙船の運用に通常必要とされる一連の宇宙飛行手順を「ランデブー、近接操作、ドッキング、アンドッキング」（RPODU）と呼ぶことがあります。 ^[23]

ランデブーとドッキングの標準的な手法は、能動的な乗り物である「チェイサー」を受動的な「ターゲット」にドッキングさせることです。この手法は、ジェミニ、アポロ、アポロ/ソユーズ、サリュート、スカイラブ、ミール、ISS、天宮計画で成功裏に使用されました。^{[引用が必要]}

宇宙船のランデブーを正しく理解するには、宇宙船の速度と軌道の関係を理解することが不可欠です。特定の軌道にある宇宙船は、その速度を任意に変更することはできません。各軌道は、特定の軌道速度と相関しています。宇宙船がスラスタを噴射して速度を増加 (または減少) すると、高度が高いか低いかの異なる軌道が得られます。円軌道では、軌道が高いほど軌道速度は低くなります。軌道が低いほど軌道速度は高くなります。

軌道ランデブーを行うには、両方の宇宙船が同じ軌道面にあり、軌道の位相（軌道上の宇宙船の位置）が一致している必要があります。^[24]ドッキングを行うには、2つの宇宙船の速度も一致している必要があります。「チェイサー」はターゲットよりもわずかに低い軌道に配置されます。軌道が低いほど、軌道速度が高くなります。したがって、チェイサーとターゲットの軌道速度の差は、チェイサーがターゲットよりも速く、ターゲットに追いつくようなものになります。^[要出典]

2機の宇宙船が十分に接近すると、チェイサーの軌道はターゲットの軌道と同期される。つまり、チェイサーは加速される。この速度の増加により、チェイサーはより高い軌道に運ばれる。速度の増加は、チェイサーがターゲットの軌道をほぼ想定するように選択される。チェイサーは段階的にターゲットに接近し、接近操作（以下を参照）を開始できるようになる。最終段階では、アクティブビークルの反応制御システムを使用して接近速度が低減される。ドッキングは通常、0.1フィート/秒（0.030メートル/秒）から0.2フィート/秒（0.061メートル/秒）の速度で行われる。^[25]

能動的、または「追跡」宇宙船と（想定される）受動的な宇宙船との宇宙ランデブーは、いくつかの段階に分けられ、通常は2つの宇宙船が別々の軌道上にあり、通常は10,000キロメートル（6,200マイル）以上離れているところから始まります。^[26]

接近作戦やドッキングに必要な並進・回転 運動を行うために、さまざまな技術が使用される可能性がある。^[28]

接近操作のための最も一般的な2つのアプローチ方法は、宇宙船の飛行経路と一直線に並ぶもの（目標の速度ベクトルに沿うためVバーと呼ばれる）と、飛行経路に垂直に軌道半径に沿って並ぶもの（地球に対する目標の放射状ベクトルに沿うためRバーと呼ばれる）である。^[26] 選択されるアプローチ方法は、安全性、宇宙船/スラスタの設計、ミッションのタイムライン、そして特にISSとのドッキングの場合は割り当てられたドッキングポートの位置によって決まる。

Vバーアプローチは、パッシブ宇宙船の速度ベクトルに沿って水平に「チェイサー」がアプローチする方法である。つまり、後方または前方から、パッシブターゲットの軌道運動と同じ方向にアプローチする。その運動はターゲットの軌道速度と平行である。^{[26] [29]} 後方からのVバーアプローチでは、チェイサーは小さなスラスタを噴射してターゲットの方向に速度を上げる。もちろん、これによりチェイサーはより高い軌道に移動する。チェイサーをVベクトル上に維持するために、他のスラスタが放射方向に噴射される。これが省略された場合（たとえばスラスタの故障のため）、チェイサーはより高い軌道に運ばれ、ターゲットよりも低い軌道速度に関連付けられる。その結果、ターゲットはチェイサーよりも速く移動し、両者の距離が増加する。これは自然ブレーキ効果と呼ばれ、スラスタ故障の場合の自然な安全策である。^[要出典]

STS-104は、国際宇宙ステーションにVバー到着を行った3回目のスペースシャトルミッションでした。^[30] Vバー、つまり速度ベクトルは、ステーションの正面の線に沿って伸びています。シャトルは、 PMA-2ドッキングポートにドッキングするときに、Vバーに沿ってISSに接近します。^[31]

Rバーアプローチは、チェイサーがターゲット宇宙船の下または上に、そのラジアルベクトルに沿って移動することから成ります。この動きは、パッシブ宇宙船の軌道速度に直交します。 ^{[26] [29]} ターゲットの下にいるとき、チェイサーはラジアルスラスタを噴射してターゲットに接近します。これにより、高度が上がります。ただし、チェイサーの軌道速度は変化しません（ラジアル方向のスラスタ噴射は軌道速度に影響を与えません）。現在、わずかに高い位置にありますが、軌道速度が局所的な円速度に対応していないため、チェイサーはターゲットからわずかに遅れています。軌道速度方向の小さなロケットパルスは、チェイサーをターゲットのラジアルベクトルに沿わせるために必要です。これらのロケットパルスが実行されない場合（たとえば、スラスタの故障のため）、チェイサーはターゲットから離れます。これは自然なブレーキ効果です。 R バー アプローチの場合、この効果は V バー アプローチよりも強く、R バー アプローチの方が 2 つのうちではより安全です。^{[引用が必要]} 一般的に、下からの R バー アプローチの方が好ましいです。これは、追跡機がターゲットよりも低い (速い) 軌道上にあり、ターゲットに「追いつく」ためです。上からの R バー アプローチの場合、追跡機はターゲットよりも高い (遅い) 軌道上にあり、ターゲットが自分に近づくのを待たなければなりません。^{[引用が必要]}

アストロテックは、 ISSの貨物需要を満たすために、「従来の天底Rバーアプローチ」を使用してステーションに接近する車両を提案しました。^{[32]天底Rバーアプローチは、} H-IIトランスファービークルやスペースXドラゴンビークルのISSへの飛行にも使用されます。^{[33] [34]}

能動型宇宙船、または「チェイサー」宇宙船が受動型宇宙船の軌道面に対して横から水平に接近する、つまり受動型宇宙船の軌道の横から面外から接近することをZバーアプローチと呼ぶ。^[35]

2度目の有人月面着陸となったアポロ12号は、サーベイヤー3号の近くに着陸し、その一部を地球に持ち帰ること で、低軌道外での初のランデブーを達成した。

• 両性具有周辺接続システム
• 共軌道解析のためのクロヘッシー・ウィルトシャー方程式
• 共通係留機構
• 地球外天体への意図的な不時着
• フライバイ（宇宙飛行）
• 月軌道ランデブー
• 火星軌道ランデブー
• 地球の軸の周りの軌道の節点歳差
• 経路制約ランデブー– 軌道上の物体を現在の位置から目的の位置まで移動させるプロセス。途中で軌道上の障害物に接触しないようにする。
• ソユーズコンタクト

ウィキメディア・コモンズには、宇宙ランデブーに関連するメディアがあります。

• T. アラン ラヴェルによる相対軌道運動の新しい非線形解の解析
• 訪問者（ランデブー） 2020年4月3日アーカイブ、Wayback Machine
• 「月周回軌道ランデブーとアポロ計画」NASA。
• 宇宙船の自動ランデブーとドッキングのハンドブック ウィグベルト・フェーゼ著
• ドッキングシステム協定は世界の宇宙政策の鍵となる – 2010 年 10 月 20 日