宇宙船のドッキングと着岸

宇宙船のドッキングと結合は、 2 機の宇宙船を結合することです。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永続的な場合もあります。

ドッキングとは、2台の別々の自由飛行する宇宙船を結合することを指します。^[1]^[2]^[3]^[4] バーシングとは、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イスに配置する結合操作を指します。^[1]^[3]^[4]現代のバーシング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、バーシング操作は緊急時に乗組員を迅速に避難させるのに適していません。^[5]

歴史

ドッキング

宇宙船のドッキング能力は、宇宙ランデブー、つまり2機の宇宙船が互いを見つけて同じ軌道上で位置を維持する能力に依存している。これは米国でジェミニ計画のために初めて開発された。 1965年10月にウォーリー・シラーの指揮の下、ジェミニ6号の乗組員が無人のアジェナ標的宇宙船とランデブーし手動でドッキングする予定だったが、アジェナ宇宙船は打ち上げ中に爆発した。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号とのランデブーに成功し、0.3メートル (1フィート) まで接近したが、2機のジェミニ宇宙船間のドッキング能力はなかった。アジェナと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の下、ジェミニ8号で成功した。

アポロ計画は、人類を月に着陸させるという目標を達成するために、月軌道上でのランデブーに依存していました。そのためには、まず、アポロ司令・機械船(CSM) の母宇宙船と月着陸船(LM) の着陸宇宙船が地球の軌道から月に向かう軌道に出た直後に、両者の転置、ドッキング、および抽出操作を行う必要がありました。その後、月着陸ミッションを完了した後、LM に乗った 2 人の宇宙飛行士は、地球に帰還できるように、月軌道上で CSM とランデブーしてドッキングする必要がありました。宇宙船は、司令船の先端と月着陸船の天井の間のトンネルを通じて、乗組員が船内を移動できるように設計されていました。これらの操作は、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 号で月軌道上で実証され、その後 6 回の月面着陸ミッションで実証されたほか、アポロ 13 号では月面着陸の代わりに LM が救助車両として使用されました。

アポロ、スカイラブ、スペースシャトルの計画を通じて手動操縦のドッキングを採用した米国とは異なり、ソ連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。そのようなシステムの最初のものであるイグラは、1967年10月30日に成功裏にテストされ、無人のソユーズ試験機コスモス186号とコスモス188号の2機が軌道上で自動的にドッキングした。^[6]^[7]これはソ連が初めて成功したドッキングだった。有人ドッキングの試みに進み、ソ連は1968年10月25日にソユーズ3号と無人のソユーズ2号のランデブーを初めて達成したが、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、ソユーズ4号とソユーズ5号の間で達成された。^[8]この初期のソユーズ宇宙船には内部移送トンネルがなかったが、2人の宇宙飛行士がソユーズ5号からソユーズ4号への船外移送を行い、打ち上げられた宇宙船とは別の宇宙船に着陸した。^[9]

1970年代、ソ連はソユーズ宇宙船をアップグレードして内部移送トンネルを追加し、サリュート宇宙ステーション計画中に宇宙飛行士を輸送するために使用しました。1971年6月7日、ソユーズ11号がサリュート1号にドッキングし、最初の宇宙ステーション訪問が成功しました。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しました。1975年7月、両国はアポロ・ソユーズテストプロジェクトで協力し、異なるドッキングシステムと宇宙船の雰囲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をドッキングしました。

1978年のサリュート6号以降、ソ連は低軌道の宇宙ステーションへの補給に無人のプログレス貨物宇宙船を使い始め、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号は、完全に自動で宇宙ステーションとランデブーしドッキングした。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様の改良を受けた。^[6]^{: 7} クルス・システムは現在で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。

停泊

宇宙船の結合の歴史は、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結合まで遡ることができます。^[10]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中の宇宙船、またはリモートマニピュレータシステムの端で一時的に宇宙環境に露出されたペイロードのいずれかです。スペースシャトルの時代には、いくつかの異なる結合機構が使用されていました。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、他のものは空中支援装置（例：HST整備ミッションに使用される飛行支援構造物）でした。

ハードウェア

両性具有

ドッキング/バースシステムは、両性具有 (性別なし) または非両性具有 (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ます。

宇宙船を結合するための初期のシステムはすべて非両性具有のドッキングシステム設計でした。非両性具有設計は、結合される各宇宙船が独自の設計（男性または女性）を持ち、ドッキングプロセスで果たす特定の役割を持つ、性別交配の一種^[2]です。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2機を結合することはまったくできません。

対照的に、両性ドッキング（および後に両性バーシング）では、両方の宇宙船に同一のインターフェースが採用されています。両性インターフェースでは、それ自体の複製に接続できる単一の設計が採用されています。これにより、システムレベルの冗長性（役割の逆転）と、2機の宇宙船間の救助および連携が可能になります。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]

メカニズム/システムの一覧

アダプター

ドッキングアダプターまたはバーシングアダプターは、あるタイプのドッキングインターフェースまたはバーシングインターフェースを別のインターフェースに接続できるようにする機械的または電気機械的デバイスです。このようなインターフェースは理論的にはドッキング/ドッキング、ドッキング/バーシング、またはバーシング/バーシングですが、これまでに宇宙で配備されたのは最初の 2 つのタイプのみです。これまでに打ち上げられたアダプターと打ち上げ予定のアダプターを以下に示します。

ASTPドッキングモジュール：米国の探査機とドローグをAPAS-75に変換したエアロックモジュール。 1975年のアポロ・ソユーズテスト計画ミッションのためにロックウェルインターナショナルによって製造されました。^[31]
加圧結合アダプタ (PMA) : アクティブ共通結合機構をAPAS-95に変換します。ISSには 3 つの PMA が取り付けられており、PMA-1 と PMA-2 は 1998 年にSTS-88で打ち上げられ、PMA-3 は 2000 年後半にSTS-92で打ち上げられました。 PMA-1 はザーリャ制御モジュールをユニティノード 1 に接続するために使用され、スペースシャトルは PMA-2 と PMA-3 をドッキングに使用しました。
国際ドッキングアダプター（IDA） : ^[32]APAS-95を国際ドッキングシステム標準に変換します。IDA-1はSpaceX CRS-7で打ち上げられる予定でしたが、打ち上げ失敗に終わり、Node-2の前方PMAに取り付けられました。^[32]^{[33] IDA-2は}SpaceX CRS-9で打ち上げられ、Node-2の前方PMAに取り付けられました。^[32]^[33] IDA-1の代替品であるIDA-3はSpaceX CRS-18で打ち上げられ、Node-2の天頂PMAに取り付けられました。^[34]このアダプターは、ISS多国間調整委員会がドッキング標準を作成するための試みである国際ドッキングシステム標準（IDSS）と互換性があります。^[35]
APASからSSVPへ: パッシブハイブリッドドッキングシステムをパッシブSSVP-G4000に変換します。^[36]このドッキングリングは当初、ソユーズMS-18とプログレスMS-17がナウカでドッキングするために使用されていましたが、ISSに到着したプリシャルモジュール用のプログレスMS-17によって切り離されました。^{[37]このアダプタは}SSPA-GMと呼ばれています。これは、ソユーズ宇宙船とプログレス宇宙船がモジュール用に指定されたポートにドッキングする必要があった国際宇宙ステーションのナウカ天底ポートとプリシャル天底ポート用に作られました。SSPA-GMを取り外す前、ドッキングリングの直径は80cm (31インチ) ですが、取り外し後は120cm (47インチ) になります。

ASTPドッキングモジュール
加圧嵌合アダプタ
国際ドッキングアダプター
APAS から SSVP (SSVPA-GM) へのドッキングリング

無人宇宙船のドッキング

宇宙飛行の最初の50年間、ほとんどのドッキングおよび結合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ためのテスト（例：コスモス186号とコスモス188号のドッキング）であった。したがって、参加する宇宙船の少なくとも1機は有人であり、加圧された居住可能な空間（例：宇宙ステーションまたは月面着陸船）がターゲットであった。例外は、完全に無人のソビエトのドッキングミッション（例：無人のサリュート7号へのコスモス1443号とプログレス23号のドッキング、または無人のミールへのプログレスM1-5号のドッキング）である。もう1つの例外は、5回のハッブル宇宙望遠鏡（HST）整備ミッション中のHSTの結合など、米国の有人スペースシャトルのミッションのいくつかであった。 1997年の日本のETS-VIIミッション（愛称は「ひこぼし」と「おりひめ」）は、無人のランデブーとドッキングをテストするために設計されたが、1つの宇宙船として打ち上げられ、分離して再び結合した。

有人宇宙船に関する変更は、経済的な理由から無人宇宙船の商業ドッキングが数多く計画されたため、2015年に始まりました。2011年に、2つの商業宇宙船プロバイダー^{[どちらですか? ]が、他の無人宇宙船のサービスのために、}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ました。注目すべきは、これらのサービス宇宙船は両方とも、ドッキングや宇宙でのサービス用に設計されていない衛星とドッキングすることを意図していたことです。

これらのサービスの初期のビジネスモデルは主に近静止軌道上でのものでしたが、大規模なデルタv 軌道操縦サービスも構想されていました。^[38]

2007 年のオービタルエクスプレスミッション (軌道上での燃料補給とサブシステムの交換用にゼロから設計された 2 機の宇宙船による宇宙衛星サービスのテストを行う米国政府主催のミッション)を基に、2 つの企業が 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ました。

スペース・インフラストラクチャ・サービシング（SIS）は、カナダの航空宇宙企業マクドナルド・デトワイラー・アンド・アソシエイツ（MDA）（カナダアームの製造元）が開発していた宇宙船で、静止軌道上の通信衛星の小規模な宇宙燃料補給基地として運用される。インテルサットは、2015年に打ち上げ予定の最初の実証衛星の要件と資金提供のパートナーであった。 ^[39]^[40]

ミッション延長機（MEV）^[41]は、2011年に米国のViviSat 社（航空宇宙企業US Spaceと ATKの50/50の合弁会社）によって開発された宇宙船で、小規模な宇宙衛星燃料補給宇宙船として運用される。^[38] MEVはドッキングはするが燃料を移送することはない。むしろ「ターゲットの姿勢制御を供給するために独自のスラスタを使用する」 ^[38]。

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でした。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でしたが^[42] 、ミッション延長車両はキックモーターのノズルにプローブを挿入する、より標準的なアプローチを使用する予定でした。^[38]

無人ドッキング機構を装備した有名な宇宙船はハッブル宇宙望遠鏡(HST) です。2009 年、STS-125シャトルミッションで、宇宙望遠鏡の後方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、ハッブルの運用寿命の終わりに無人宇宙船をドッキングし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、NASA ドッキングシステム(NDS) インターフェイスと互換性があるように設計されており、サービスミッションの可能性を残しています。^[43] SCM は、5 回の HST サービスミッションで HST をキャプチャしてスペースシャトルに結合したシステムと比較して、^[要出典] ランデブーとキャプチャの設計の複雑さを大幅に軽減します。NDS は APAS-95 機構に似ていますが、互換性はありません。^[44]

非協力的なドッキング

操作可能な姿勢制御システムを持たない宇宙船（または他の人工宇宙物体）とのドッキングは、宇宙船を救助するため、または制御された軌道離脱を開始するために、時には望ましい場合があります。非協力的な宇宙船とのドッキングのための理論的な技術がこれまでにいくつか提案されています。^[45]しかし、故障したサリュート7号宇宙ステーションを救助するためのソユーズT-13ミッションの唯一の例外を除いて、2006年の時点で、宇宙飛行の最初の50年間のすべての宇宙船のドッキングは、関係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車両で達成されていました。^[45] ただし、2007年には、ロボットアームを使用して制御された宇宙船が非協力的な宇宙船を捕獲する初期テストを含むデモンストレーションミッションが飛行しました。 ^[46]研究とモデリング作業は、今後数年間の追加の自律非協力捕獲ミッションをサポートします。 ^[47]^[48]^[update]

サリュート7号宇宙ステーション引き揚げミッション

10番目に打ち上げられた宇宙ステーションであるサリュート7号とソユーズT-13号は、作家のデイビッド・SF・ポートリーが「宇宙での修理の歴史の中で最も印象的な偉業の一つ」と評するドッキングを行った。^[14]太陽追跡が失敗し、テレメトリの故障のため、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。ステーションの電気エネルギーの蓄えがなくなると、1985年2月に突然通信が途絶えた。ソ連軍司令官ウラジミール・ジャニベコフ^[49]と技術科学飛行技師ヴィクトル・サヴィニフ^[50]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。

ソ連とロシアの宇宙ステーションはすべて、IGLA システムを使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、クルスシステムを使用した国際宇宙ステーションのロシア軌道セグメントまで、自動ランデブーおよびドッキングシステムを備えていました。ソユーズの乗組員は、ステーションがランデブー用のレーダーやテレメトリを送信していないことに気付き、到着して回転するステーションの外部を検査した後、手持ちのレーザー距離計を使用して距離を判断しました。

ジャニベコフは宇宙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達成した。ハードドッキングを達成した後、彼らはステーションの電気系統が機能していないことを確認した。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検査し、問題ないことがわかった。彼らは毛皮の裏地が付いた冬服を着て、寒いステーションに入り、修理を行った。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十分な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になるまでに、ほぼ2か月が経過した。^[14]

非協力的な宇宙物体の無人ドッキング

非協力的なランデブーと捕獲の技術が理論化されており、軌道上の無人宇宙船によるミッションが1回成功裏に実行された。^[46]

この問題を解決するための典型的なアプローチは、2つの段階に分かれています。まず、「追跡」宇宙船の姿勢と軌道を変更し、「目標」宇宙船との相対運動がゼロになるまで調整します。次に、従来の協力型宇宙船のドッキングに似たドッキング操作を開始します。各宇宙船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。^[51]

NASAは、自動かつ自律的なランデブーとドッキング（人間の操縦者や他のバックアップなしに独立して操作し、センサー、ソフトウェア、リアルタイムの軌道上測位と飛行制御などの技術の進歩を必要とする）を「軌道上の燃料貯蔵や燃料補給などの機能の最終的な成功」と惑星間目的地向け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操作に不可欠な技術であると特定しました。 ^[52]

自動/自律ランデブー＆ドッキング機（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年または2015年に飛行開始が予定されている。提案された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ある。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）の距離にいる非協力的な車両に使用できるレーザー近接操作センサーの開発であった。非協力的なドッキングメカニズムは、このような自律ミッションの成功に不可欠なミッション要素であると特定された。^[52]

非協力的な宇宙物体への掴み込みと接続は、2010年のNASAロボット工学、遠隔ロボット工学、自律システムロードマップにおいて最大の技術的課題として特定されました。 ^[53]

ドッキング状態

ドッキング/バーシング接続は、「ソフト」または「ハード」と呼ばれます。通常、宇宙船は最初にドッキングコネクタをターゲットビークル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。ソフト接続が確保され、両方の宇宙船が加圧されると、ハードドッキングに進むことができます。ハードドッキングでは、ドッキングメカニズムが気密シールを形成し、内部のハッチを安全に開けて乗組員と貨物を移動できるようになります。

宇宙船とモジュールの結合

ドッキングとアンドッキングは、宇宙船がドッキングポートを使用し、補助なしに自力で行うことを指します。宇宙船または電源が入っていない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、結合が行われます。この補助は宇宙船から提供される場合があります。たとえば、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結合部に押し込んだ場合などです。同様に、ポイスクモジュールは、改造されたプログレス宇宙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結合されましたが、プログレス宇宙船はその後廃棄されました。ISSに到着したシグナス補給宇宙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結合機構に引き込まれ、ステーションによって接続が閉じられます。結合機構はISS の米国セグメントでのみ使用され、 ISS のロシアセグメントでは恒久的な結合部にドッキングポートが使用されます。

火星表面ドッキング

NASAは、有人火星探査車と火星居住区や上昇段階とのドッキングについて議論してきた。 ^[54]火星表面車両（および表面居住区）には、約2×1メートル（6.6×3.3フィート）の大きな長方形のドッキングハッチがある。^[54]^{[検証に失敗した]}

ギャラリー

国際宇宙ステーションからのソユーズ宇宙船の切り離しのタイムラプス

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