Loading article…
宇宙ランデブー（/ ˈrɒndeɪvuː /）とは、 2機の宇宙船（多くの場合、そのうちの1機は宇宙ステーション）が同じ軌道に到達し、非常に近い距離（例えば、目視できる距離）まで接近する一連の軌道操作のことです。ランデブーには、2機の宇宙船の軌道速度と位置ベクトルの正確な一致が必要であり、これにより、軌道位置保持によって一定の距離を維持することができます。ランデブーの後には、宇宙船を物理的に接触させ、両者の間にリンクを作成するドッキングまたは係留が行われる場合と行われない場合があります。
同様のランデブー技術は、重力場が弱い自然物への宇宙船の「着陸」にも使用できる。例えば、火星の衛星の一つに着陸するには、軌道速度を一致させた後、ドッキングと類似点のある「降下」を行う必要がある。
ソ連は初の有人宇宙飛行計画であるボストーク計画において、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年にボストーク3号と4号、 1963年にボストーク5号と6号）。いずれの場合も、ロケットの誘導システムは2機の宇宙船をほぼ同じ軌道に投入したが、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十分ではなかった。初期の分離距離は5～6.5キロメートル（3.1～4.0マイル）の範囲であったが、ミッションの過程で徐々に数千キロメートル（1000マイル以上）に広がった。[ 1 ] [ 2 ]
1964年初頭、ソ連はポリョート1号と2号という2機の無人衛星を5km以内まで誘導し 、これらの衛星は無線通信を確立することができた。[ 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変換する」ことに取り組んだ。[ 7 ]
NASA によるランデブーの最初の試みは 1965 年 6 月 3 日に行われ、米国の宇宙飛行士ジム・マクディビットが、使用済みのタイタン II ロケットの上段にジェミニ 4号を近づけようと試みた。マクディビットは、奥行き知覚の問題と、ステージの推進剤の放出によって機体が動き回ったため、位置保持を達成できるほど接近する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が失敗に終わった主な理由は、NASA の宇宙飛行士が、このプロセスに関わる軌道力学を まだ教えられていなかったためである。単にアクティブ ビークルの機首を目標に向けて推力をかけるだけではうまくいかなかった。目標が軌道上で先行していて、追跡ビークルの速度が増加すると、高度も上昇し、実際には目標から遠ざかる。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、追跡ビークルは目標の上だけでなく後ろにも位置することになる。適切な手法では、追跡車両の軌道を変更してランデブー目標に追いつくか追いつかれ、適切なタイミングで車両間の相対運動がない状態で目標と同じ軌道に変更する必要があります（たとえば、追跡装置を軌道周期が短い低軌道に入れて追いつき、その後ホーマン遷移を実行して元の軌道高度に戻ります）。[ 9 ]
GPOのエンジニア、アンドレ・マイヤーが後に述べたように、「ランデブーで何がうまくいかなかったのかには、ちゃんとした説明がある」。MSCの乗組員は、他の全員と同様に、 「軌道力学を理解していなかった」のだ。その結果、我々は皆、はるかに賢くなり、ランデブー操作を完璧にマスターし、それが現在アポロ計画で使用されている。
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・シラによって初めて成功裏に達成されました。シラはジェミニ6号宇宙船を姉妹機ジェミニ7号から1フィート（30cm ）以内まで操縦しました。宇宙船同士はドッキングする装備は備えていませんでしたが、20分以上位置を維持しました。シラは後に次のようにコメントしました。[ 10 ]
誰かが言った…3マイル（5km）以内に近づいたらランデブー完了だ。3マイル（5km）でランデブー完了したと思っている人がいるなら、楽しんでくれ！ここからが私たちの仕事の始まりだ。ランデブーは、2台の車両が約120フィート（37m）の距離で完全に停止し、相対的な動きがなくなるまで終わらないと思う 。それがランデブーだ！そこからはステーションキーピングだ。そこからは、車を運転したり、飛行機を操縦したり、スケートボードを押したりするゲームに戻れる。それくらい簡単なことだ。
シラは、両国の業績の違いを説明するために別の比喩を用いた。[ 11 ]
ロシアの「ランデブー」は、通りすがりの視線のようなものだった。例えるなら、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可愛い女の子を見かけた時のことだ。「ちょっと待って」と声をかけるが、彼女はもう行ってしまった。それは通りすがりの視線であって、ランデブーではない。
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機とランデブーしてドッキングした際に達成された。ジェミニ6号は最初のドッキングミッションとなるはずだったが、そのミッションのアジェナ機が打ち上げ中に破壊されたため中止せざるを得なかった。[ 12 ]
ソ連は1967年10月30日にコスモス186号とコスモス188号の間で初の無人自動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ゲオルギー・ベレゴヴォイで、1968年10月に無人宇宙船ソユーズ2号にソユーズ3号をドッキングさせようと試みたが失敗に終わった。自動システムによって宇宙船は200メートル（660フィート）以内まで接近したが、ベレゴヴォイは手動制御でさらに接近させた。[ 14 ]
初の有人ドッキング[ 15 ]は、1969年1月16日にソユーズ4号とソユーズ5号がドッキングし、ソユーズ5号の乗組員2名を収容した際に行われた。ソユーズ5号はソユーズ4号に到達するために船外活動を行う必要があった。[ 16 ]
1969年3月、アポロ9号は、ドッキングした2隻の宇宙船間で乗組員を内部移送するという、史上初の成功を収めた。
異なる国の宇宙船同士が初めてランデブーしたのは1975年で、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た時だった。[ 17 ]
1978年1月、ソユーズ26号とソユーズ27号がサリュート6号宇宙ステーションにドッキングした際に、複数機による宇宙ドッキングが行われた。これは、既に別の乗組員が滞在している宇宙ステーションに、2番目の乗組員が訪れた初めての事例であった。[ 18 ]
宇宙船が乗組員や物資を軌道上の宇宙ステーションに運ぶたびに、ランデブーが行われます。最初にこれを実行し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号ステーションとのドッキングに成功しました。 [ 19 ]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、乗組員をISSに輸送するために約6か月間隔で使用されています。NASAの商業乗員輸送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改良版であるクルードラゴンを独自の打ち上げロケットとともに使用できるようになりました。[ 20 ]
ロボット宇宙船は、宇宙ステーションとのランデブーや物資補給にも使用されます。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[ 21 ]とISSの両方に自動的にドッキングしました。欧州の自動輸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ました。いくつかの無人宇宙船は、ドッキングポートではなくNASAの係留機構を使用しています。日本のH-II輸送機（HTV）、スペースXのドラゴン、オービタルサイエンシズのシグナス宇宙船はすべて接近ランデブーして位置を維持し、ISSのカナダアーム2が宇宙船をつかんで米国セグメントの係留ポートに移動できるようにします。ただし、改良版のカーゴドラゴンは係留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します。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、シグナスがそこに係留場所を見つけることはできません。[ 22 ]
宇宙ランデブーは、ハッブル宇宙望遠鏡への最近のサービスミッションなど、さまざまな目的で使用されてきました。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周回軌道上でアポロ司令船/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、軌道変更を可能にしました。
将来的にランデブーを行う可能性があるのは、まだ開発されていない自動ハッブルロボットビークル（HRV）と、燃料切れになった静止衛星とのランデブー用に開発されているCX-OLEVである。CX-OLEVは軌道位置保持を引き継ぎ、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。静止遷移軌道から静止同期軌道への段階的な遷移には、ホール効果スラスタを使用して数か月かかる。[ 23 ]
あるいは、2機の宇宙船は既に結合しており、別の方法でドッキングを解除・ドッキングするだけかもしれない。
NASAは、2機の宇宙船が互いに近接して接続する目的で運用される宇宙船運用において通常必要とされるすべての宇宙飛行手順を「ランデブー、近接運用、ドッキング、およびドッキング解除」（RPODU）と呼ぶことがある。 [ 24 ]
ランデブーおよびドッキングの標準的な手法は、能動的な機体である「追跡機」を、受動的な「目標機」にドッキングさせることである。この手法は、ジェミニ計画、アポロ計画、アポロ/ソユーズ計画、サリュート計画、スカイラブ計画、ミール計画、国際宇宙ステーション（ISS）、天宮計画などで成功裏に用いられてきた。
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。特定の軌道上にある宇宙船は、その速度を任意に変更することはできません。各軌道は、特定の軌道速度に対応しています。宇宙船がスラスタを噴射して速度を増減させると、高度の高い軌道または低い軌道という、異なる軌道が得られます。円軌道では、高度の高い軌道ほど軌道速度は低くなります。高度の低い軌道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る必要があり、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。[ 25 ]ドッキングを行うには、2機の速度も一致している必要があります。「追跡機」は、目標機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、軌道速度は高くなります。したがって、追跡機と目標機の軌道速度の差は、追跡機が目標機よりも速く、目標機に追いつくようなものになります。
2機の宇宙船が十分に接近すると、追跡機の軌道が目標機の軌道と同期されます。つまり、追跡機は加速されます。この速度の増加により、追跡機はより高い軌道へと移動します。速度の増加は、追跡機が目標機の軌道にほぼ一致するように選択されます。段階的に、追跡機は目標機に接近し、近接操作（下記参照）を開始できるようになります。最終段階では、機体のリアクションコントロールシステムを使用して接近速度が減速されます。ドッキングは通常、 0.1 ft/s (0.030 m/s)から0.2 ft/s (0.061 m/s)の速度で行われます。[ 26 ]
能動型、または「追跡型」宇宙船と（想定される）受動型宇宙船の宇宙ランデブーは、いくつかのフェーズに分けられ、通常は2つの宇宙船が別々の軌道にあり、通常は10,000キロメートル（6,200マイル）以上離れていることから始まります。[ 27 ]
近接操作やドッキングに必要な並進および回転操作を実行するために、さまざまな技術が使用される可能性がある。[ 28 ]
近接操作の最も一般的な接近方法は、宇宙船の飛行経路に沿った方法（目標の速度ベクトルに沿っているため、Vバーと呼ばれる）と、軌道半径の線に沿って飛行経路に垂直な方法（地球に対する目標の半径ベクトルに沿っているため、Rバーと呼ばれる）の2つです。[ 27 ] 選択される接近方法は、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異なります。
Vバーアプローチとは、「追跡機」が受動宇宙機の速度ベクトルに沿って水平方向に接近する方法です。つまり、後方または前方から、受動目標の軌道運動と同じ方向に接近します。この動きは目標の軌道速度と平行です。 [ 27 ] [ 29 ] 後方からのVバーアプローチでは、追跡機は小型スラスタを噴射して目標の方向への速度を増加させます。もちろん、これにより追跡機はより高い軌道に押し上げられます。追跡機をVベクトル上に維持するために、他のスラスタが半径方向に噴射されます。これが省略された場合（たとえばスラスタの故障のため）、追跡機は目標よりも低い軌道速度に関連付けられたより高い軌道に運ばれます。結果として、目標は追跡機よりも速く移動し、両者間の距離が増加します。これは自然制動効果と呼ばれ、スラスタの故障の場合の自然な安全装置です。
STS-104は、国際宇宙ステーションへのVバー到着を実施した3番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、ステーションの真前方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際に、Vバーに沿ってISSに接近します。[ 31 ]
Rバーアプローチは、追跡機が目標宇宙機の半径ベクトルに沿って目標宇宙機の下または上に移動することから成ります。この動きは、受動宇宙機の軌道速度に直交します。 [ 27 ] [ 29 ] 目標の下に位置すると、追跡機は半径方向のスラスタを噴射して目標に接近します。これにより、追跡機の高度が上昇します。ただし、追跡機の軌道速度は変化しません（半径方向のスラスタ噴射は軌道速度に影響を与えません）。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、追跡機は目標の後ろにわずかに遅れます。追跡機を目標の半径ベクトルに沿って維持するには、軌道速度方向の小さなロケットパルスが必要です。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）、追跡機は目標から遠ざかります。これは自然な制動効果です。 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安全です。 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。なぜなら、追跡機は目標機よりも低い（速い）軌道にあるため、目標機に「追いつく」ことができるからです。上からのRバーアプローチの場合、追跡機は目標機よりも高い（遅い）軌道にあるため、目標機が接近してくるまで待たなければなりません。
Astrotech社は、ISSへの貨物輸送ニーズを満たすために、「従来の天底Rバーアプローチ」を用いてステーションに接近する車両を提案した。[ 32 ]天底Rバーアプローチは、H-II輸送機やSpaceX Dragon機のISSへの飛行にも使用されている。[ 33 ] [ 34 ]
能動型、または「追跡型」宇宙機が受動型宇宙機の軌道面に対して水平かつ直交する方向、つまり受動型宇宙機の軌道面に対して側面から面外方向へ接近することをZバーアプローチと呼ぶ。[ 35 ]
2回目の有人月面着陸であるアポロ12号は、サーベイヤー3号の近くに着陸し、その一部を持ち帰ることで、地球低軌道外での史上初のランデブーを成功させた。
{{cite web}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)ほとんどの観察者は、米国の月面着陸によって宇宙開発競争は決定的なアメリカの勝利で終わったと感じていました。[…] 宇宙開発競争の正式な終結は、1975年のアポロ・ソユーズ共同ミッションで起こりました。このミッションでは、米国とソ連の宇宙船が軌道上でドッキング、つまり結合し、乗組員が互いの宇宙船を訪れ、共同で科学実験を行いました。