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宇宙船のドッキングと係留とは、 2つの宇宙船を結合させることである。この接続は一時的な場合もあれば、宇宙ステーションのモジュールのように部分的に恒久的な場合もある。
ドッキングとは、2つの独立した自由飛行宇宙船を結合することを具体的に指します。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]バースとは、ロボットアームを使用して受動モジュール/車両を別の宇宙船の結合インターフェースに配置する結合操作を指します。[ 1 ] [ 3 ] [ 4 ]現代のバース解除プロセスはより多くの乗組員の労力を必要とし、時間がかかるため、バース操作は緊急事態発生時の迅速な乗組員の避難には適していません。[ 5 ]
宇宙船のドッキング能力は、宇宙ランデブー、つまり2つの宇宙船が互いを見つけて同じ軌道に留まる能力に依存します。これは、米国がジェミニ計画のために最初に開発しました。1965年10月、ジェミニ6号の乗組員がウォーリー・シラーの指揮の下、無人のアジェナ標的機とランデブーして手動でドッキングする計画でしたが、アジェナ機は打ち上げ中に爆発しました。改訂されたジェミニ6Aミッションでは、シラーは1965年12月に有人ジェミニ7号とのランデブーを成功させ、 0.3メートル（1フィート）以内に接近しましたが、2つのジェミニ宇宙船の間にはドッキング能力はありませんでした。[ 6 ]アジェナとの最初のドッキングは、1966年3月16日にジェミニ8号でニール・アームストロングの指揮の下で成功しました。手動ドッキングは、1966年の3つのジェミニミッションで行われました。
アポロ計画は、人類を月面に着陸させるという目標を達成するために、月周回軌道上でのランデブーに依存していた。そのためには、まず、アポロ司令船・機械船（CSM）母船と月着陸船（LM）が地球周回軌道から月へ向かう軌道に投入された直後に、両船の間で位置移動、ドッキング、そして引き抜き操作を行う必要があった。その後、月面着陸ミッションを完了した後、月着陸船に搭乗した2人の宇宙飛行士は、地球へ帰還するために、月周回軌道上でCSMとランデブーしてドッキングする必要があった。これらの宇宙船は、司令船の先端部と月着陸船の屋根部の間にトンネルを設け、船内での乗員の移動を可能にするように設計されていた。これらの操縦は、1969年3月7日にアポロ9号で低地球軌道上で初めて実証され、その後1969年5月にアポロ10号で月周回軌道上で、さらに6回の月面着陸ミッションで実施されたほか、月着陸船が月面着陸ではなく救助機として使用されたアポロ13号でも実施された。
アポロ、スカイラブ、スペースシャトル計画全体を通して手動操縦ドッキングを使用した米国とは異なり、ソビエト連邦はドッキングの試みの最初から自動ドッキングシステムを採用した。そのような最初のシステムであるイグラは、1967年10月30日に無人ソユーズ試験機コスモス186号とコスモス188号が軌道上で自動的にドッキングした際にテストに成功した。[ 7 ] [ 8 ]これはソビエト初のドッキング成功例である。有人ドッキングの試みに進み、ソビエト連邦は1968年10月25日に無人ソユーズ2号とソユーズ3号のランデブーに成功したが、ドッキングは失敗に終わった。最初の有人ドッキングは1969年1月16日にソユーズ4号とソユーズ5号の間で達成された。[ 9 ]この初期型のソユーズ宇宙船には内部トランスファートンネルはなかったが、2人の宇宙飛行士がソユーズ5号からソユーズ4号へ船外活動を行い、打ち上げ時とは別の宇宙船に着陸した。[ 10 ]
1970年代、ソ連はソユーズ宇宙船を改良し、内部移送トンネルを追加して、サリュート宇宙ステーション計画中に宇宙飛行士の輸送に使用しました。最初の宇宙ステーション訪問は1971年6月7日に始まり、ソユーズ11号がサリュート1号にドッキングしました。米国もこれに続き、1973年5月にアポロ宇宙船をスカイラブ宇宙ステーションにドッキングさせました。1975年7月、両国はアポロ・ソユーズテスト計画で協力し、異なるドッキングシステムと宇宙船の大気に対応するために特別に設計されたドッキングモジュールを使用して、アポロ宇宙船とソユーズ宇宙船をドッキングさせました。
1978年のサリュート6号から、ソ連は無人貨物宇宙船プログレスを使用して低軌道の宇宙ステーションに物資を補給し始め、乗組員の滞在期間を大幅に延長した。無人宇宙船であるプログレスは、宇宙ステーションと完全に自動でランデブーおよびドッキングした。1986年、イグラドッキングシステムはソユーズ宇宙船の改良型クルスシステムに置き換えられた。プログレス宇宙船も数年後に同じアップグレードを受けた。[ 7 ]： 7クルスシステムは現在も国際宇宙ステーションのロシア軌道セグメントへのドッキングに使用されている。
宇宙船のドッキングは、少なくともスペースシャトルのペイロードベイへのペイロードのドッキングまで遡ることができます。[ 11 ]このようなペイロードは、メンテナンス/帰還のために捕獲された自由飛行宇宙船、またはリモートマニピュレータシステムの終端で一時的に宇宙環境にさらされるペイロードのいずれかです。スペースシャトル時代には、いくつかの異なるドッキング機構が使用されました。それらのいくつかはペイロードベイの機能（例：ペイロード保持ラッチアセンブリ）であり、その他は空中支援機器（例： HSTの整備ミッションで使用される飛行支援構造）でした。
ドッキング／係留システムは、アンドロジナス（性別なし）または非アンドロジナス（性別あり）のいずれかであり、システムのどの部分が互いに結合できるかを示している。
初期の宇宙船結合システムは、すべて非両性具有型のドッキングシステム設計でした。非両性具有型設計は、性別交配の一形態であり[ 2 ]、結合される各宇宙船は独自の設計（男性または女性）を持ち、ドッキングプロセスで特定の役割を担います。役割を逆転させることはできません。さらに、同じ性別の宇宙船同士を結合することは全くできません。
一方、アンドロジナスドッキング（および後にアンドロジナスバース）では、両方の宇宙船に同一のインターフェースがあります。アンドロジナスインターフェースでは、単一の設計が自身の複製に接続できます。これにより、システムレベルの冗長性（役割の反転）と、任意の2つの宇宙船間の救助および協力が可能になります。また、より柔軟なミッション設計が可能になり、独自のミッション分析とトレーニングが削減されます。[ 2 ]
ドッキングアダプタまたは係留アダプタとは、あるタイプのドッキングインターフェースまたは係留インターフェースを別のインターフェースに接続するための機械的または電気機械的な装置です。このようなインターフェースは、ドッキング/ドッキング、ドッキング/係留、または係留/係留のいずれかです。既に発売されているアダプタと、今後発売予定のアダプタを以下に示します。
宇宙飛行の最初の50年間、ほとんどのドッキングおよび係留ミッションの主な目的は、乗組員の移送、宇宙ステーションの建設または補給、あるいはそのようなミッションの試験（例えば、コスモス186号とコスモス188号のドッキング）でした。そのため、参加する宇宙船のうち少なくとも1つは有人であり、加圧された居住空間（例えば、宇宙ステーションや月着陸船）が目標でした。例外は、完全に無人のソ連のドッキングミッションがいくつかありました（例えば、コスモス1443号とプログレス23号が無人のサリュート7号に、またはプログレスM1-5が無人のミールにドッキングした例）。もう1つの例外は、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）の5回の修理ミッション中の係留など、有人米国のスペースシャトルによるいくつかのミッションでした。 1997年に実施された日本のETS-VIIミッション（愛称は彦星と織姫）は、無人ランデブーとドッキングの試験を目的として設計されたが、実際には1機の宇宙船として打ち上げられ、その後分離して再び合体した。
有人宇宙船に関する変化は2015年に始まり、経済的な動機に基づく無人宇宙船の商業ドッキングが数多く計画された。2011年には、2つの商業宇宙船プロバイダーが、他の無人宇宙船へのサービス提供を目的とした自律型／遠隔操作型の無人補給宇宙船を提供する計画を発表した。注目すべきは、これらのサービス宇宙船はいずれも、ドッキングや宇宙空間でのサービス提供を想定していない衛星とのドッキングを意図していた点である。
これらのサービスの初期のビジネスモデルは主に静止軌道に近い軌道であったが、大きなデルタV軌道マヌーバリングサービスも構想されていた。[ 40 ]
2007年のオービタル・エクスプレス計画（軌道上での燃料補給とサブシステムの交換を目的としてゼロから設計された2機の宇宙船を用いて、宇宙空間での衛星サービスを試験する米国政府主導のミッション）を基に、2社が、2機の無人宇宙船のドッキングを必要とする商業衛星サービスミッションの計画を発表した。
SISとMEVの車両はそれぞれ異なるドッキング技術を使用する予定だった。SISはキックモーターの周りにリングアタッチメントを使用する予定だった[ 44 ] のに対し、ミッション拡張車両はキックモーターのノズルにプローブを挿入するという、より標準的な方法を使用する予定だった[ 40 ] 。
無人ドッキング機構を搭載した著名な宇宙機として、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）が挙げられます。2009年のSTS-125シャトルミッションでは、宇宙望遠鏡の後部隔壁にソフトキャプチャ機構（SCM）が追加されました。SCMは非加圧ドッキング用であり、ハッブルの運用終了時に無人宇宙機をドッキングさせてハッブルを軌道から外すために使用されます。使用されたSCMは、サービスミッションの可能性を残すため、NASAドッキングシステム（NDS）インターフェースと互換性を持つように設計されました。 [ 45 ] SCMは、HSTをスペースシャトルに捕捉してドッキングするために5回のHSTサービスミッションで使用されたシステムと比較して、 そのようなミッションに関連するランデブーと捕捉の設計の複雑さを大幅に軽減します。NDSはAPAS-95機構にいくらか似ていますが、互換性はありません。[ 46 ]
動作可能な姿勢制御システムを持たない宇宙船（またはその他の人工宇宙物体）とのドッキングは、その宇宙船をサルベージするため、あるいは制御された軌道離脱を開始するために、時に望ましい場合がある。これまでに、非協力的な宇宙船とのドッキングに関するいくつかの理論的手法が提案されている。[ 47 ]しかし、損傷したサリュート7号宇宙ステーションをサルベージするためのソユーズT-13ミッションを除いて、2006年現在、宇宙飛行の最初の 50 年間に行われたすべての宇宙船ドッキングは、関与する両方の宇宙船が有人、自律、または遠隔ロボットによる姿勢制御下にある機体で行われた。[ 47 ]しかし、2007 年に、ロボットアームを使用して制御された宇宙船によって非協力的な宇宙船を捕捉する 最初のテストを含む実証ミッションが実施された。 [ 48 ]研究とモデリング作業は、今後数年間で追加の自律非協力捕捉ミッションを サポートするために継続されている。 [ 49 ] [ 50 ]
あらゆる種類の宇宙ステーションとしては10番目に打ち上げられたサリュート7号とソユーズT-13は、作家のデイビッド・SF・ポートリーが「宇宙空間での修理の歴史上最も印象的な偉業の1つ」と評するドッキングを行った。[ 15 ]太陽追尾が失敗し、テレメトリーの不具合により、ステーションは自律飛行中にミッションコントロールにその失敗を報告しなかった。ステーションの電力予備が尽きると、1985年2月に突然通信が途絶えた。ソ連軍司令官ウラジーミル・ジャニベコフ[ 51 ]と技術科学飛行技師ヴィクトル・サヴィニフ[ 52 ]が緊急修理を行うために、乗組員のスケジュールが中断された。
ソ連およびロシアのすべての宇宙ステーションは、IGLAシステムを採用した最初の宇宙ステーションであるサリュート1号から、クルスシステムを採用した国際宇宙ステーションのロシア軌道セグメントに至るまで、自動ランデブーおよびドッキングシステムを備えていた。ソユーズの乗組員は、ステーションがランデブーのためのレーダーやテレメトリーを送信していないことに気づき、到着後、回転するステーションの外部を検査した後、携帯型レーザー距離計を使用して距離を判断した。
ジャニベコフは自分の船を操縦してサリュート7号の前方ポートを迎撃し、ステーションの回転に合わせてソフトドッキングを成功させた。ハードドッキングに成功した後、ステーションの電気系統が停止していることを確認した。ハッチを開ける前に、ジャニベコフとサヴィニフはステーションの大気の状態をサンプリングし、問題ないことを確認した。冬用の毛皮裏地付きの服を着て、彼らは修理を行うために寒冷なステーションに入った。1週間以内に、ロボット貨物船がステーションにドッキングできるほどのシステムがオンラインに戻った。宇宙ステーションの大気の状態が正常化するまでには、ほぼ2か月かかった。[ 15 ]
非協力的なランデブーおよび捕獲技術が理論的に提唱されており、無人宇宙船による軌道上でのミッションが1件成功裏に実施されている。[ 48 ]
この問題を解決するための典型的なアプローチは、2 つのフェーズから構成されます。まず、 「追跡」宇宙機が「目標」宇宙機との相対運動がゼロになるまで、「追跡」宇宙機の姿勢と軌道が変更されます。次に、従来の協調型宇宙機ドッキングと同様のドッキング操作が開始されます。各宇宙機には標準化されたドッキングインターフェースがあると想定されます。[ 53 ]
NASAは、自動化された自律的なランデブーとドッキング（2機の宇宙船が人間の管制官から独立して、また他のバックアップなしでランデブーおよびドッキングする能力であり、センサー、ソフトウェア、リアルタイムの軌道上測位および飛行制御などの技術進歩を必要とする）を、「軌道上での推進剤貯蔵や燃料補給などの機能の最終的な成功」や、惑星間目的地へのミッションコンポーネントの組み立てにおける複雑な運用にとって重要な技術であると特定した。[ 54 ]
自動/自律型ランデブー・ドッキングビークル（ARDV）は、NASAのフラッグシップ技術実証（FTD）ミッションとして提案されており、2014/2015年にも飛行が予定されています。このミッションにおけるNASAの重要な目標は、技術を進歩させ、自動ランデブーとドッキングを実証することです。2010年の分析で定義されたミッション要素の1つは、1メートル（3フィート3インチ）から3キロメートル（2マイル）の距離で非協力型ビークルに使用できるレーザー近接操作センサーの開発でした。非協力型ドッキング機構は、このような自律型ミッションの成功にとって重要なミッション要素として特定されました。[ 54 ]
非協力的な宇宙物体をつかんで接続することは、2010年のNASAロボティクス、テレロボティクス、自律システムロードマップにおける最重要技術課題として挙げられた。[ 55 ]
ドッキング／係留接続は、「ソフトドッキング」または「ハードドッキング」と呼ばれます。通常、宇宙船はまず、ドッキングコネクタを目標機のコネクタに接触させてラッチすることでソフトドッキングを開始します。ソフト接続が確立され、両方の宇宙船が加圧されている場合、ドッキング機構が気密シールを形成するハードドッキングに進むことができます。これにより、内部ハッチを安全に開けて、乗員や貨物を移送することが可能になります。
ドッキングとアン・ドッキングとは、宇宙船がドッキングポートを使用し、補助なしで自力で移動することを指します。バースとは、宇宙船または無動力モジュールがドッキングポートを使用できない場合、または使用するために補助が必要な場合に発生します。この補助は、スペースシャトルがロボットアームを使用してISSモジュールを恒久的なバースに押し込んだように、宇宙船から提供される場合があります。同様に、ポイスクモジュールは、改造されたプログレス補給船によって所定の位置に押し込まれた後、ドッキングポートに恒久的にバースされました。その後、プログレス補給船は廃棄されました。ISSに到着するシグナス補給船はドッキングポートに接続せず、代わりにステーションのロボットアームによってバース機構に引き込まれ、ステーションが接続を閉じます。バース機構はISSの米国セグメントでのみ使用され、ロシアセグメントでは恒久的なバースにドッキングポートが使用されます。
ドッキングは、火星居住施設や上昇ステージなど、有人火星探査車に関してNASAによって議論されてきた。 [ 56 ]火星表面車両（および表面居住施設）には、約2メートル×1メートル（6.6フィート×3.3フィート）の大きな長方形のドッキングハッチがあるだろう。[ 56 ]
ドッキングとは、接近する宇宙船が別の宇宙船とランデブーし、インターフェース機構を整列させてかみ合わせるように制御された衝突軌道を飛行することです。宇宙船のドッキング機構は通常、ソフトキャプチャと呼ばれる段階に入り、続いて荷重減衰段階を経て、宇宙船間に気密な構造的接続を確立するハードドッキング位置になります。一方、バースとは、接近する宇宙船がロボットアームによって掴まれ、そのインターフェース機構が固定されたインターフェース機構のすぐ近くに配置されることです。その後、通常はキャプチャ処理、粗調整、微調整、そして構造的な取り付けという工程が行われます。
ドッキング：2つの独立した自由飛行宇宙機が結合または接近すること。
係留とは、リモートマニピュレータシステム(RMS)を使用して非アクティブなモジュール/車両を係留インターフェースに配置する係留操作を指します。ドッキングとは、アクティブな車両が自力で係留インターフェースに飛行する係留操作を指します。
トンネルの直径は32インチ（0.81cm）で、与圧式または非与圧式の船外活動ユニット（EMU）に乗った乗組員が司令船（CSM）と月着陸船（LM）の間を移動するために使用されます。
これは、球形セクション（直径2.55m）の上に円筒形のトンネル（直径2.2m）があり、APAS-89アンドロジナスドッキングポートを備えていました。これは、1975年のアポロ・ソユーズテスト計画のためにNPOエネルギアが開発したAPAS-75システムの改良版です（141ページ）。計画では、オービターは無人で打ち上げられ、ミール宇宙ステーションまで飛行し、そこでクリスタルモジュールの軸方向のAPAS-89ドッキングポートとドッキングする予定でした（246ページ）。1980年代後半、NPOエネルギアはAPAS-89ドッキングポートを備えた3機のソユーズ宇宙船（シリアル番号101、102、103）を製造するよう命じられました（246ページ）。 101号機は最終的に1993年1月にソユーズTM-16として打ち上げられ、別の常駐クルー（ゲンナジー・マナコフとアレクサンドル・ポレシュチュク）をミール宇宙ステーションに運びました。APAS-89ドッキングポートを備え、クリスタルモジュールとドッキングした唯一のソユーズ機でした。部分的にしか組み立てられていなかったソユーズ「救難」機102号機と103号機は、通常のソユーズTM宇宙船に改造され、標準的なプローブドッキング機構が与えられ、新しいシリアル番号が付けられました（249ページ）。1992年7月、NASAはミールへのシャトル飛行をサポートするためにオービタードッキングシステム（ODS）の開発を開始しました。ペイロードベイの前端に取り付けられたODSは、外部エアロック、支持トラス構造、およびAPASドッキングポートで構成されています。最初の2つの要素はロックウェル社が製造したが、APASはRKKエネルギア社が製造した。エネルギア社によるシャトルAPASの社内呼称はAPAS-95だが、基本的にはブランのAPAS-89と同じである。ODSはISSへのシャトルミッション用に若干変更されたが、APASは変更されなかった（380ページ）。
ハッチは、ISSの米国セグメントで現在使用されているハッチとよく似ている。ただし、両側が37インチなので、50インチのISSハッチよりやや小さい。
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)神舟8号と天宮1号を結ぶ直径800ミリメートルの円筒形の通路が建設される予定です。
ジンは天宮1号へと続く幅31インチの狭い通路を漂った。
US Space と ATK の 50-50 合弁事業である ViviSat は、MDA と同じキック モーター内のプローブ方式を使用して目標宇宙船に接続するが、燃料を移送しない衛星燃料補給宇宙船を販売している。代わりに、この宇宙船は新しい燃料タンクとなり、独自のスラスタを使用して目標の姿勢制御を提供する。 ... [ViviSat] のコンセプトは、MDA ほど進んでいない。 ... 同社は、燃料切れの衛星の寿命を延ばすことに加えて、AEHF-1 のような燃料搭載宇宙船を低軌道でドッキングし、独自のモーターと燃料を使用して適切な軌道に乗せ、その後別の目標に移動することで、
AEHF-1
のような燃料搭載宇宙船を救出することもできる。
は、宇宙インフラサービス（SIS）機を静止軌道に近い軌道に打ち上げ、そこで燃料補給、位置変更、その他のメンテナンスが必要な商用衛星や政府衛星にサービスを提供する予定だった。最初の燃料補給ミッションは、製造開始から3.5年後に実施される予定だった。…この契約に基づきMDAがインテルサットに提供するサービスは、2億8000万米ドル以上の価値がある。
の宇宙船が計画通りに機能すれば、インテルサットはMDAに総額約2億ドルを支払うことになる。これは、4機または5機の衛星にそれぞれ約200キログラムの燃料が供給されることを前提としている。
{{cite news}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)40 種類以上の燃料補給システム... SIS は、現在静止軌道にある衛星の燃料補給システムの 75 % を開けるのに十分なツールを搭載する予定です。... MDA は SIS サービス機を打ち上げ、SIS サービス機は Intelsat 衛星とランデブーしてドッキングし、衛星の遠地点ブースト モーターの周りのリングに自身を取り付けます。地上チームが動きを制御することで、SIS ロボット アームは遠地点モーターのノズルから伸びて衛星の燃料キャップを見つけてねじを緩めます。SIS 機は合意された量の推進剤を供給した後、燃料キャップを再び閉じ、次のミッションに向かいます。このビジネスモデルの鍵となるのは、MDAが交換用燃料容器を打ち上げる能力であり、この容器はSISによって捕捉され、数年にわたって数十基の衛星に燃料を補給するために使用される。これらの容器はSIS本体よりもはるかに軽量であるため、打ち上げコストも大幅に削減できる。
{{cite news}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)衛星軌道上サービスで最も困難なタスクの1つは、回転する衛星などの非協力的な衛星をランデブーして捕捉することです。
現在の研究のほとんどと過去のミッションはすべて、非常に協力的な衛星のみを捕獲することを目的としている。将来的には、宇宙空間で回転している衛星や捕獲用に設計されていない衛星など、非協力的な衛星を捕獲する必要も出てくるかもしれない。
ロボット宇宙船の AR&D をこれらのシステムの捕捉範囲内で可能にするためには、ロボット宇宙船用のより小型の共通ドッキング システムも必要です。LEO を超える探査ミッションで使用される大型の機体とステージの組み立てには、現在使用されている、または開発中のどのドッキング システムよりも新しい捕捉範囲を持つ新しいメカニズムが必要になります。衛星のサービス/救助をサポートするには、グラップル フィクスチャやドッキング メカニズムなどの捕捉補助装置を持たない非協力的なターゲット ビークルの自律的なロボットによる捕捉の開発とテストが必要です。