Diese Frage konzentriert sich auf Weltraummissionen, die an die ISS andocken. In diesem YouTube-Video wird der Prozess zum Rendez-vous mit der ISS beschrieben. Wenn ich es richtig verstehe, besteht es darin, das Raumschiff in eine stabile, aber niedrigere Umlaufbahn zu bringen, dort auf das gute Timing zu warten und dann einen Hohmann-Transfer in die Umlaufbahn durchzuführen, in der die ISS fliegt. Das gute Timing ist so, dass sich das Raumschiff, sobald es die Umlaufbahn der ISS erreicht hat, nur wenige Meilen vor der ISS befindet.
Obwohl mir der letzte Schritt klar erscheint, sind es die ersten nicht. Was passiert zwischen dem Start des Raumfahrzeugs und der stabilen unteren Umlaufbahn, von der aus der letzte Hohmann-Transfer durchgeführt wird? Wie wird diese Umlaufbahn gewählt? Wie man dorthin kommt?
Kurz gesagt: Was sind die Schritte zwischen dem Start des Raumfahrzeugs und dem Zeitpunkt, an dem das Raumfahrzeug an der ISS andocken kann?
Was sind die Schritte zwischen dem Start des Raumfahrzeugs und der Position des Raumfahrzeugs zum Andocken an die ISS?
Dies ist von Fahrzeug zu Fahrzeug unterschiedlich. Einige Fahrzeuge docken an die ISS an, andere legen an der ISS an. Bei manchen Fahrzeugen geht das sehr schnell, bei anderen dauert es Tage. Unter denen, die andocken, gibt es eine Reihe von Andockhäfen auf der ISS. Der Zeitpunkt des Vorgangs, ob das Fahrzeug andockt oder anlegt, und die Position und Ausrichtung der Andocköffnung oder des Anlegekastens sorgen für sehr unterschiedliche Sätze von Schritten. Ich werde die Dinge aus der Perspektive betrachten, wie das japanische HTV an der ISS anlegt. Cygnus von Orbital und Dragon von SpaceX folgen einem sehr ähnlichen Muster.
Die erste Flugphase ist der Start. Typischerweise ist das Fahrzeug, das schließlich an der ISS andocken oder anlegen wird, während dieser Anfangsphase eine passive Nutzlast; es ist die Trägerrakete, die das Sagen hat. Diese Phase endet mit der Einfügung in die Umlaufbahn.
Die Einsetzbahn kann ziemlich niedrig sein, so niedrig, dass das Fahrzeug in kurzer Zeit wieder eintreten würde, ohne auf eine höhere Bahn zu beschleunigen. Diese höhere Umlaufbahn ist eine Phasenumlaufbahn, deren Höhe niedriger ist als die der ISS. Diese geringere Höhe bedeutet, dass die Umlaufzeit schneller ist als bei der ISS. Wie viel Zeit in dieser Phasenumlaufbahn (oder Phasenumlaufbahnen; einige Fahrzeuge verwenden mehr als eine) verbracht wird, hängt davon ab, wie weit die ISS (das Zielfahrzeug) vor dem betreffenden Fahrzeug (dem Verfolgerfahrzeug) ist. Einige Fahrzeuge (z. B. das europäische ATV) können mehrere Wochen in ihrer/ihren Phasenumlaufbahn(en) verbringen.
Wenn das Timing stimmt, erhöht der Verfolger seine Höhe, sodass er idealerweise eine vorgeplante Entfernung hinter der ISS ist. Das ist kein Hohmann-Transfer. Es handelt sich vielmehr um eine Abfolge von Verbrennungen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf einen bestimmten Punkt im Raum zielen. Ein Ansatz, dies zu tun, besteht darin, Lambert-Targeting oder eine Modifikation davon zu verwenden. Der Beginn dieser Abfolge von Verbrennungen markiert den Beginn der Fernfeld-Rendezvous-Flugphase.
Wenn das Fahrzeug den Zielpunkt erreicht (normalerweise Hunderte von Kilometern hinter der ISS), führt es eine weitere Zündung durch, die sein Perigäum etwas kleiner macht als das der ISS. Mit der Zeit bewegt dies das Fahrzeug in Richtung der ISS. Irgendwann kommt das Fahrzeug in Kommunikationsreichweite der ISS. Dies markiert den Übergang vom Fernfeld- zum Nahfeld-Rendezvous.
Während Fernfeldoperationen verwendet das HTV (und Cygnus und Dragon) GPS, um seinen navigierten Zustand zu korrigieren. Die ISS verwendet auch GPS, aber die Entfernung zwischen den beiden Fahrzeugen bedeutet, dass die ISS und der Chaser möglicherweise unterschiedliche Sätze von GPS-Satelliten verwenden, um ihren Zustand abzuschätzen. Sobald das HTV (oder Cygnus oder Dragon) in Kommunikationsreichweite kommt, wechselt es zur Verwendung von relativem GPS. Dadurch wird die Genauigkeit der Schätzung des relativen Zustands zwischen den beiden Fahrzeugen erheblich erhöht.
Sobald der Verfolger in eine vorgeschriebene Entfernung zur ISS kommt, wechselt er vom Nahfeld-Rendezvous zum Anflug. Im Fall von HTV (und Cygnus und Dragon) schaltet das Fahrzeug zu diesem Zeitpunkt von der Verwendung von relativem GPS auf visuelle Navigation um. GPS auf der Erde funktioniert in Städten nicht so gut wie auf dem Land, da die Signale von hohen Gebäuden abprallen (das Mehrwegproblem). Relatives GPS funktioniert aus dem gleichen Grund in unmittelbarer Nähe der ISS nicht sehr gut.
Während der Anflugphase muss der Chaser einem vorgeschriebenen Korridor folgen, der ihn schließlich zum Andockhafen oder zur Liegebox führt. Die Anflugphase hat eine Reihe von Haltepunkten, an denen der Verfolger in Bezug auf die ISS zur Ruhe kommen soll. Abweichungen außerhalb des Korridors oder das Nichtanhalten an einem Haltepunkt sind Anzeichen dafür, dass das Fahrzeug in einen anderen Modus übergehen, abbrechen oder sich zurückziehen muss. Es gibt mehrere Entscheidungspunkte auf dem Weg, an denen der Verfolger (oder die menschlichen Kontrolleure am Boden) entscheiden, ob es das Beste ist, entweder abzubrechen oder sich zurückzuziehen.
Die allerletzte Phase ist natürlich das eigentliche Andocken oder Anlegen.
Alle Weltraumstarts bringen eine Rakete auf die Erde und geben ihr etwas Höhe und viel Seitwärtsgeschwindigkeit, bis sie die Umlaufbahn erreicht. Die Möglichkeiten, dies zu tun, sind alle ziemlich bekannt und nicht spezifisch für Sojus. Sie müssen "nur" Ihren Orbit planen und die Parameter in das System einspeisen.
Für ein ISS-Docking ist die anfänglich ausgewählte Umlaufbahn:
Im Flugzeug mit der ISS-Umlaufbahn. Flugzeugwechsel sind furchtbar teuer für Treibstoff, also ist die erste Anforderung, dem gerecht zu werden. Dies geschieht, indem man die Erde drehen lässt, bis der Startplatz unter die Umlaufebene gebracht wird. Starten Sie zu diesem Zeitpunkt in die richtige Richtung und das Flugzeug wird ausgewählt.
Hoch genug, dass Sie ein paar Umlaufbahnen haben, um Ihre Ausrüstung zu überprüfen, sicherzustellen, dass alles funktioniert, und näher zu kommen. Ein Großteil der dafür erforderlichen Ausrüstung konnte während des Starts nicht getestet werden. Jetzt ist Ihre Zeit, um sicherzustellen, dass es funktioniert.
Das schränkt die anfängliche Parkbahn ein. Wenn dies früher im Programm wäre, würden Sie jetzt warten, bis die Phasenlage korrekt ist. Die Sojus und die ISS würden sich in derselben Ebene befinden, könnten sich aber entlang der Umlaufbahn relativ zu den anderen Raumfahrzeugen in beliebiger Entfernung befinden. Die Sojus in geringerer Höhe würde schneller umkreisen. Dies würde es ihm ermöglichen, "aufzuholen" und den Phasenwinkel zu ändern. Rendezvous-Verbrennungen würden beginnen, wenn die Phasenlage korrekt war. Diese Wartezeit bedeutete, dass der Start zum Andocken bis zu 3 Tage dauerte. Nicht schlecht für ein Shuttle, das viel Platz hatte, aber ziemlich nervig in eine Sojus gepackt.
In den letzten Jahren wurde für bemannte Starts ein aktualisiertes Startprofil verwendet. Die ISS-Umlaufbahn wird modifiziert, um sie zur vorhergesagten Startzeit am richtigen Phasenpunkt zu platzieren. Dies erfordert viel Planung und verbraucht Treibstoff auf der ISS, also wird es nicht für Frachtflüge gemacht. Wenn es funktioniert, ist der Phasenschritt beim Start abgeschlossen, und der Gesamtprozess dauert von einigen Tagen bis zu 6 Stunden.
Der Rest spielt nur Golf. Sie wissen (im Grunde), wo Sie sind und (im Grunde) wo Sie sein möchten, aber nicht mit einer solchen Präzision, dass Sie erwarten können, es mit einem Schlag dorthin zu bringen. Als die Sojus entwickelt wurde, hatte sie nicht genug Intelligenz, um sich selbst im Orbit zu treffen. Stattdessen müsste es Bodenstationen passieren, um den Status zu analysieren und neue Befehle zu übermitteln. Anstatt also ein Flugzeug zu fliegen oder ein Auto zu fahren, bei dem Sie die ständige Kontrolle haben, senden Sie Befehle, um Aktionen auszuführen, und warten dann, wie gut Sie es getan haben. Die mehrfachen Annäherungsbrände bringen die Dinge auf eine Weise schön und nah, die die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit der Station verringert und keine unmögliche Präzision bei jedem Brand erfordert.
Organischer Marmor
Manuel H
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