宇宙船はどのようにして軌道に沿って飛行するのでしょうか? 2 つの宇宙船はどのようにして互いを見つけるのでしょうか?宇宙ステーションのランデブーとドッキング

2 機の宇宙船が同時に、同じ軌道位置、同じ速度と姿勢で出会い、ドッキングし、全体として構造的に接続されることをランデブーとドッキングと呼びます。これは中国の宇宙ステーション建設における重要な技術であり、「1+1=1」を実現するための前提条件であり、宇宙船の軌道上運用における最も複雑な技術の1つです。これはランデブーとドッキングの2つの段階に分かれており、英語ではRendezvous and Docking（RVD）と呼ばれます。

ランデブーはフランス語から来ています。会話の中で、何人かの外国人の同僚が、彼らも日常会話で特定の場所で誰かと会うことを表すために「rendezvous」を使うが、それは少なくとも別の都市か都市の反対側など比較的遠い場所でなければならないと教えてくれました。隣の部屋で会うことは待ち合わせとはみなされません。この観点から見ると、ランデブーとドッキングとは、宇宙船が何千マイルも離れた場所で出会い、その後接続して一緒に集まることを意味します。

2機の宇宙船が1機になると、ランデブーとドッキングが完了します。そして、このすべての幕は、ロケットが打ち上げられる前にすでに開かれているのです。宇宙に関して言えば、ランデブーとドッキングに関わる要素は、ドッキング宇宙船そのものをはるかに超えています。時間的に言えば、複数の動的なステップから順番に構築されるプロセスです。

天の宮殿は完成しようとしており、結果は初めから来ており、出発点は終わりに通じています。新しいツールは有望であり、小さな動きでも大きな影響を与えることができ、全体の状況を計画することで良い状況を達成することができます。ランデブーとドッキングは、航空宇宙のシステムエンジニアリングに強力な注釈を提供してきました。

▲中国の宇宙ステーション建設の様子を描いたアニメーション。出典: CCTV

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01

軌道法則はランデブーの基礎となる

宇宙船はなぜこのように飛ぶのでしょうか?

宇宙船は軌道に沿って飛行し、その軌道は規則的です。天体の軌道法則は、ランデブーとドッキングを設計する際の基礎となります。

軌道ルール 1: 軌道が低いほど、角速度は速くなります。宇宙ステーションは高度約400kmの軌道を飛行し、1.5時間で地球を一周します。同期軌道衛星は高度36,000kmにあり、1日に1周して地球を周回します。月は高度38万キロメートルにあり、1ヶ月に1回地球を一周します。そして、宇宙船の軌道が宇宙ステーションよりも低く保たれている限り、宇宙船は「自然に」より速い角速度で宇宙ステーションに追いつくことになります。追跡プロセス中、宇宙船は徐々に軌道を上げ、宇宙ステーションとの相対速度は徐々に低下します。宇宙船と宇宙ステーションが同じ軌道高度にあるとき、相対速度はゼロとなり、ドッキングが可能になります。

ランデブーとドッキングは、しばしば「1,000 マイルにわたって針に糸を通す」ことに例えられます。実際のところ、距離は難易度に比例しません。追跡距離が長くなると必ずしも燃料消費量が増えるわけではありません。鍵となるのは、飛行中の高度差と宇宙船の軌道を徐々に上昇させるタイミングを正確に制御することだ。これには、2 つの宇宙船の軌道を正確に測定し、それらの相対的な位置と速度をリアルタイムで把握し、軌道制御を正確に計算して実行する必要があります。ここが難しい部分です。

軌道法則 2: 円軌道上の宇宙船は、ほぼ等速円運動をします。等速円運動は地上追跡や観測に有利なだけでなく、軌道法則と組み合わせると、2 機の航空機が同じ高度で円軌道を飛行する場合、それらの相対速度はゼロのままであることがわかります。これにより、ランデブーとドッキングのための軌道上の駐機ポイントを設置できるようになります。

軌道ルール 3: 同じ軌道面内で軌道を変更すると、軌道面を変更するよりも多くのエネルギーを節約できます。宇宙船は、約7km/秒の高速で軌道上を飛行します。速度には方向性があるため（つまり、ベクトル特性を持つため）、方向を有限に変更する場合は、現在の速度と同じ桁の速度増分が必要になります。万有引力の法則によれば、軌道半径は速度の二乗に反比例します。元の方向が変わらない場合、比較的小さな速度の増加で、同じ軌道面内で著しい高度変化が生じる可能性があります。 400kmの軌道を例にとると、傾斜角を30°変更する場合、必要な速度増分は約4km/sとなります。一方、同じ軌道面内では、軌道を 400 km から 1000 km に上げるのに必要な速度の増加は約 0.3 km/s だけです。この法則を最大限に活用するためには、ランデブーやドッキングを計画する際に、宇宙船と宇宙ステーションの間で、離陸からドッキングまでの全プロセスを可能な限り同じ軌道面で実行する必要があります。

軌道法則 4: 軌道面が異なり、交差する軌道を持つ宇宙船は出会ったときに同じ速度を達成できません。また、速度のベクトル特性により、軌道の交差点では 2 機の航空機が同時に同じ位置に到達することがありますが、このとき速度の方向が異なり、相対速度をゼロに維持することはできません。それだけでなく、軌道面に対して垂直な横方向の相対速度だけを観測すると、この交差点の相対速度は、全軌道周期の中で最大になります。この時点で両者の相対速度がゼロでなければならない場合、一方の速度の方向を変えるために大量のエネルギーが消費されます。ドッキングするには、速度変更プロセスを非常に短時間で完了する必要があります。これは、交差する線路の徐々に増加する接近速度を着実に減速することと同等です。制御の難易度は比較的大きく、制御がうまくいかないと「自然な」衝突が発生します。したがって、2 つの宇宙船の軌道面に偏差がある場合は、そのうちの 1 つ (通常は宇宙船) を修正して、最終的に 2 つの宇宙船が同じ軌道面で出会うようにし、ドッキングに適した初期条件を作り出す方法を見つける必要があります。

▲ 軌道面が交差する2機の宇宙船の相対速度関係の図。

02

ランデブーの旅の出発点：ロケット打ち上げ

宇宙船の打ち上げにはなぜ「ゼロウィンドウ」が必要なのでしょうか?

打ち上げ前のロケットとロケット内の宇宙船は地球の表面に残ります。地球も彼らと一緒に回転していると想像できます。離陸の瞬間から、ロケット宇宙船は地球と一緒に移動しなくなり、地球表面の直接的な制約から抜け出し、独立して宇宙へ飛び立ちます。したがって、離陸の瞬間は、宇宙船が飛行軌道に入るための開始点となります。この瞬間の正確さによって、ロケットが予想される初期条件から地球に運び去られるかどうかが決まります。

ロケットには偏差を修正する能力があります。しかし、離陸時間のずれは軌道面のずれを招き、修正に必要なエネルギーが大きくなります。したがって、ランデブー・ドッキングミッションを計画する際には、事前に宇宙ステーションの軌道を正確に測定・予測して理論的な打ち上げ時間を設計し、地上とロケットの調整により、可能な限り理論時間にロケットを離陸させる必要があります。これが、宇宙船打ち上げの「ゼロ幅時間ウィンドウ」（「ポイントウィンドウ」または「ゼロウィンドウ」とも呼ばれる）の起源です。離陸後、ロケットの制御システムは飛行中に残留偏差をさらに修正し、軌道進入地点の精度を確保します。

▲2021年10月16日、長征2Fロケットが打ち上げられ、神舟13号有人宇宙船が宇宙に送り出された。出典：新華社通信

03

ランデブーステップ2: 軌道投入と追跡

宇宙ステーションはなぜランデブー前に軌道を調整するのでしょうか?

軌道進入点は、宇宙船を宇宙ステーションと同じ軌道面上、その後ろと下にある特定の地点に送ることです。後続の宇宙船は、計画された軌道変更戦略に従って徐々に軌道を上げ、予定時間内に宇宙ステーションに追いつく予定です。したがって、軌道進入点は、2つの宇宙船の相対的な関係（高度差と位置差）を考慮して設計されます。相対関係が異なると、追跡のための軌道変更戦略も異なり、特定の相対関係でも追跡戦略は異なります。同じ追跡距離の場合、低い軌道での飛行時間の割合が大きいほど、追跡が速くなり、合計のランデブー時間が短くなります。

2つの宇宙船は相対的な関係にあるため、宇宙ステーションはランデブーに合わせて対応する調整を行うことができます。ロケットの軌道進入点の範囲は限られているため、宇宙ステーションの最も一般的な調整手段は、打ち上げ前に宇宙船の高度を上げ下げして軌道角速度を調整し、宇宙船が軌道に入るときに両者の相対位置がちょうど適切な範囲になるようにし、その後の宇宙船の追跡飛行に有利になるようにすることです。宇宙ステーションが調整されていない場合、宇宙船が軌道に入るときに、宇宙ステーションは宇宙船の前方 0° から 360° のどこかにある可能性があります。もちろん、2 つの宇宙船は離れているため、宇宙船はより長い期間、低軌道を飛行することができます。宇宙ステーションより低い位置に留まる限り、常に追いつくことができます。

どちらの選択肢にも長所と短所があります。宇宙ステーションの調整は、比較的固定された軌道変更戦略を持つ宇宙船間のランデブーに役立ち、飛行時間が比較的固定され、飛行手順と地上と宇宙の調整の一貫性にさらに役立つでしょう。宇宙ステーションの調整が行われない場合、宇宙船は毎日打ち上げることができ（打ち上げ時刻が同じ軌道面を確保する限り）、ミッション遂行上の制約は少なくなりますが、ランデブー時刻は不確実であり、1日から5日かかる可能性があります。したがって、有人宇宙船は通常前者の選択肢を採用し、宇宙ステーションはランデブー時間が長くなりすぎず確実であることを確保するために適切に協力します。一方、貨物宇宙船にはランデブー時間に関する厳しい制約はなく、ほとんどの場合後者のオプションが使用されます。

▲神舟13号の放射状ランデブー・ドッキングの模式図。出典：宇宙技術研究所

04

ランデブーの第3ステップ：長距離追跡と近距離接近

2 機の航空機はどのようにして互いを見つけるのでしょうか?

宇宙船は遠くから近くまで宇宙ステーションを追跡します。

両者が離れている場合、プロジェクトでは宇宙船と宇宙ステーションの軌道を別々に測定し、それぞれの軌道を独立して決定し、これに基づいて軌道変更戦略を策定します。リアルタイムの軌道は地上局で測定・予測したり、航空機の衛星ナビゲーションデータから取得したりすることができます。北斗グローバルナビゲーションの応用により、正確かつリアルタイムの軌道決定が可能になります。

距離が十分に近い場合、2 つの宇宙船は互いに「エコー」することができ、宇宙船に搭載された測定機器 (レーダー、光学測定機器など) と宇宙ステーションに構成された対応する協力ターゲット (トランスポンダー、光学ターゲットなど) を通じて、2 つの宇宙船間の相対的な位置と速度を取得できます。現時点では、地上測定による絶対データに頼る必要はなく、相対的な軌道関係に基づいて軌道変更計算を実行する必要があります。この選択の理由は、距離が近いほど相対測定の精度が高くなるためです。軌道の相対関係を線形に単純化した後は、精度を確保しながら計算量を大幅に削減でき、宇宙船の制御コンピュータによって軌道上でリアルタイムに自律的に計算できるため、処理のリアルタイム性がさらに向上します。

ランデブー段階の最後の約 100 ～ 200 メートルは、トランスレーション アプローチ段階と呼ばれます。現時点では、2機の宇宙船はそれぞれの軌道法則に従って独立して飛行していますが、軌道間の偏差はすでに非常に小さくなっています。相対的な関係に基づいて宇宙船を直接調整し、直線飛行動作を実行するために、それほど多くのエネルギーを必要としなくなりました。したがって、ドッキング接触の瞬間に宇宙船と宇宙ステーションが同じ位置と相対速度を持つだけでなく、同じ相対姿勢と角速度を持つことを保証するために、この範囲で 3 方向の 6 自由度制御と 3 軸姿勢を実行でき、実行する必要があります。 2 つが位置合わせされドッキングされて初めて、次の段階である「ドッキング」の機械的組み立てプロセスに進むことができます。

▲神舟8号と天宮1号の接近図。出典：新華社

05

バイアス補正と制約

軌道制御の何が難しいのでしょうか?

ロケットの軌道への打ち上げから2機の宇宙船の追跡と接近まで、すべての手順は順調に進みました。実際の飛行では、あらゆるステップでエラーが発生する可能性があります。そのため、飛行軌道制御計画では、軌道修正の機会を確保し、実際の偏差に基づいてリアルタイムに計算を行い、修正を実施するかどうかを決定する必要があります。各段階での計測・計算誤差は軌道制御パラメータの誤差に変換され、軌道変更実行偏差と重畳され、軌道制御後の飛行状態に反映されます。

したがって、宇宙船が軌道に入ると、エンジニアは測定された軌道に基づいてその後の軌道変更を計画し、軌道の偏差を排除します。各軌道制御の後に軌道が再測定され、その後の軌道変更戦略とパラメータが現在の状態に基づいて更新され、以前の軌道変更によって生じた新たな偏差を排除しながら、既存の追跡ミッションを完了します。

「同じ川に二度入ることはできない。」古代ギリシャの哲学者のこの言葉は、宇宙の万物の動きと変化を表現しています。この意味で、ランデブーとドッキングに代表される宇宙ミッションの各段階は、まったく新しい課題に直面しています。

最終的なドッキング精度を確保するために上記の原則に従って計画されることに加えて、軌道制御では燃料消費も少なくする必要があります。そのため、軌道高度の変更は可能な限り遠地点と近地点で実施され、ホーマン遷移を利用してエネルギーの最適化が達成されます。軌道面の変更は可能な限り軌道交差点で実施され、最も効率的な制御によって燃料を節約します。

軌道制御プロセスの実装に大きな影響を与える制約が 2 種類あります。 1つは、航空宇宙工学の初期の頃には軌道決定能力がなかったなどの技術的な条件です。もう 1 つのタイプは、人為的に課せられた安全対策です。たとえば、ランデブーとドッキングのプロセスの最終段階は、測定と制御によって見える円弧内で実行されなければならないため、障害のタイムリーな処理が容易になり、安全性が確保されます。制約はミッションの実施条件や能力によって異なり、技術の進歩や自律制御の信頼性の向上に伴って解除されることもあります。

要約すると、宇宙船のランデブーは、制約の下での典型的な多目的計画問題です。

▲神舟8号と天宮1号のランデブー・ドッキングの軌道制御の図。出典：新華社通信

06

待ち合わせには停止が必要

宇宙船はなぜ止まったり進んだりするのでしょうか?

宇宙ステーションは円軌道を飛行します。宇宙船の追跡プロセス中に、宇宙船が軌道を変更して宇宙ステーションの後ろの同じ軌道高度の円軌道に到達した場合、2 つの宇宙船の相対的な距離と速度は変化せず、宇宙船は宇宙ステーションに対して「駐車」されます。このような駐車は軌道法則、つまり受動的安全性によって保証されます。つまり、何もしない限り、衝突の危険はありません。

ランデブーおよびドッキング飛行中に駐機ポイントを設定する必要があります。これは主に次の操作またはシナリオで使用されます。

（１）相対測定センサーを切り替える。たった 1 セットの機器で宇宙船を数百キロメートル離れた場所からドッキングまで追跡するのは困難です。したがって、宇宙ステーションからの相対距離が一定である安全な駐車地点は、測定距離が異なる機器を切り替えるのに最適な場所です。つまり、停止してギアを変えるのです。

（２）トラブルシューティングセンサーなどの一般的な障害はアンカーポイントで処理できます。実際、一部のランデブー計画では、駐機地点をシステム全体の状態を確認するためのポイントとして利用し、すべてが正常であることを確認してからのみ航空機を解放します。つまり、立ち止まって確認するのです。

（３）ドッキング時間の調整軌道制御の実行にエラーがあると、飛行時間が予想時間から外れてしまいます。パーキング ポイントを設定すると、以前の飛行時間の誤差を「取り消す」ことができ、後続のステップがスケジュールされた時間計画に従って実行されるようになります。つまり、立ち止まって修正するのです。この調整機能は、ドッキングフェーズ中の測定、制御、可視性などの時間的制約があるランデブー計画にとって非常に重要です。

（４）光センサーが太陽光によって妨害される問題を解決する。簡単に言えば、太陽が眩しいときに停泊地で待機し、太陽が沈んだ後に出発することを意味します。

駐車場は宇宙ステーションの後ろまたは前に設置できます。後方の駐機地点から宇宙ステーションに接近し続けるには、軌道を少し下げ、接近した後に軌道を上げて駐機する必要があります。前方から接近する場合は、まず軌道を上げて宇宙ステーションが近づくのを待ち、その後軌道を下げて駐機します。このプロセスは、並進アプローチの段階に入るまで、順方向と逆方向の両方向で繰り返されます。

▲神舟9号と天宮1号の手動ランデブー・ドッキング時の駐機地点設定。出典：CCTV

07

ラジアルランデブーには利点と欠点がある

なぜ宇宙船は宇宙ステーションに横からドッキングしないのですか?

宇宙船は、最終ドッキングまで前方および後方から宇宙ステーションに接近するために駐機ポイントを使用するだけでなく、宇宙ステーションの底部から、そしてドッキングまで地球の半径に沿って上方から宇宙ステーションに接近することもできます。 2021年10月16日、神舟13号有人宇宙船は打ち上げに成功し、我が国初の放射状ランデブーとドッキングを完了しました。

ラジアルランデブー中の 2 つの宇宙船は同じ軌道面上に留まり、エネルギー消費と最終的なドッキング条件の点では依然として比較的理想的です。ラジアルランデブーにより、宇宙ステーションは飛行姿勢を変えずに訪問宇宙船を収容する能力を高めることができます。同時に、宇宙背景がクリーンなため、宇宙船は放射状のランデブー中に宇宙ステーションの上空を観測するのに適した条件を備えています。

ラジアルランデブーの難しさは、軌道法則によっても生じます。宇宙船は常に宇宙ステーションよりも低いため、軌道角速度特性を利用してパッシブパーキングを実現することはできません。駐車が必要な場合は、継続的な制御のために燃料を使用する必要があります。さらに、ラジアルランデブー中、宇宙船は頭を空に向け、尾を地面に向けた「直立」姿勢になります。地面と平行に飛行する通常の姿勢に適応する地球センサーや計測・制御アンテナなどの機器の配置は、特別な設計や調整が必要です。

同じ軌道面内の前方、後方、および放射状の方向は、宇宙ステーションが訪問宇宙船を受け入れるために一般的に使用されるポートです。これらは、現在宇宙ステーションの軌道上にある天舟2号、天舟3号、神舟13号のドッキング方向でもあります。通常、横方向のドッキングが直接実行されない理由は、この記事の最初のセクションで説明した軌道法則 4 で説明されています。横方向のランデブーおよびドッキングでは、2 つの宇宙船は異なる軌道面にあり、相対速度は 2 つの軌道面の交差点で最高になります。ランデブー・ドッキングを実施する場合、制御が難しく、安全性に欠ける。したがって、キャビンを最終的に横方向のドッキング ポートに接続する必要がある場合、通常は前方、後方、または放射状にドッキングし、その後、ロボット アームまたは転送機構の支援を受けて横方向に「移動」します。

▲天河コアモジュールの前方、後方、放射状のポートにドッキングした宇宙船の概略図。出典: 36kr

08

自動モードと手動モードが共存

高精度な自動制御条件下では、なぜ手動ランデブーが必要なのでしょうか?

交差点には自動と手動の 2 つのモードがあります。

ランデブー飛行全体は軌道計算に基づいています。移動と接近の段階に達し、宇宙船の相対的な動きが宇宙飛行士の直接的な観察、姿勢の感覚、制御の習慣と一致して初めて、ヒューマン・イン・ザ・ループ、つまり制御プロセスへの人間の参加が実現されます。実際、安全を確保するために、この段階でもプロジェクトでは自動制御システムを使用して宇宙船の基本姿勢を維持し、宇宙飛行士はこれに基づいて移動制御と姿勢調整を行うだけで済みます。

しかし、手動、つまり人間が制御するランデブー モードの大きな利点は、人間の目の正確な立体視と人間の脳と指の微細な制御能力から得られる優れた制御精度です。訓練を受けた後、宇宙飛行士は極めて高い観測および制御精度を達成することができます。ランデブー・ドッキング技術の検証が始まった当初は、当時の計測センサーや制御コンピュータなどの技術レベルの限界により、自動制御は人間による制御ほど正確ではありませんでした。ソ連が新しいドッキング機構をテストしていたとき、より正確な制御を得るために、最終的なランデブーとドッキング操作を手動制御で完了しました。

現代の自動制御は十分に正確で安定していますが、人間による制御は冗長な手段として依然として残っています。これは、機械が、その場で状況に対処する人間の能力に取って代わることができないからです。 2機の宇宙船が非常に接近しているときに異常が発生した場合、地上からのリアルタイム介入は現場の宇宙飛行士ほど優れておらず、宇宙飛行士が総合的に判断して状況に対処できるため、安全の確保にさらに役立ちます。この利点を生かして、ソユーズT-13宇宙飛行士は手動操作により制御不能となったサリュート7号宇宙ステーションとのランデブー・ドッキングを実現し、その後宇宙ステーションを修理・復旧することができた。当時、サリュート7号は完全に制御不能な自由漂流状態にあった（幸い角速度は大きくなかった）。ソユーズT-13はまず周回して観測し、その後ドッキングポートを目指しながら追跡し、接近してドッキングした。サリュート7号のような非協力的で制御されていないターゲットの場合、その状態は事前に不明であるため、上記の軌道法則を使用して最終的な接近とドッキングを設計および最適化することはできません。現場観察に基づいて判断し、解決策を策定することによってのみ、困難を克服し、成功裏に実行することができます。

▲ロシアのソユーズT13が撮影したドッキング前のサリュート7号。出典: arstechnica

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2日から6.5時間

迅速なランデブーはどのようにして実現されるのでしょうか?

2021年6月17日、神舟12号有人宇宙船が天河コアモジュールと結合し、これまでの我が国の有人宇宙船の通常の2日間から、全体のランデブー・ドッキング時間が6.5時間に短縮されました。

高速ランデブー プロセスとは、必要なランデブーと軌道変更を、可能な限り少ない飛行円内で、少数の軌道特性点で完了することを意味します。したがって、線路変更を少なくし、線路制御の間隔を短く計画すると、ランデブー時間を効果的に短縮できます。これには他の条件も必要になります:

（１）ロケットの軌道投入精度が高い。必要な調整と修正の量が少ないため、軌道制御をあまり計画する必要はありません。

（２）軌道をリアルタイムで正確に測定する。この条件は、北斗グローバルナビゲーションシステムのサポートにより達成されました。

（３）リアルタイム軌道制御計画と正確な計算北斗がリアルタイムで正確な軌道決定を提供するという前提では、宇宙船の搭載コンピューターが軌道を独自に計画し制御するのに十分な計算能力を備えているか、または、地上に軌道制御パラメータを注入する十分な時間があり、注入時間が制約にならない場合。

（４）軌道制御精度は新たな偏差項が発生しない程度に高く、偏差は計画された調整能力を超えない程度に小さい。

したがって、迅速なランデブーの実現は、地上、ロケット、航空機、航法・中継衛星などから構成される大規模システムの総合的な能力向上と連携確保の結果である。

▲神舟12号が天河コアモジュールとのドッキング準備中。出典: CCTV

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01

ドッキング初期条件

どのような状況でドッキングを実現できますか?

ランデブーの終了地点がドッキングの開始地点となります。このとき、宇宙船の横方向の位置と速度、宇宙ステーションに対する3軸姿勢と角速度は可能な限りゼロに近くなり、軸方向の飛行方向のみが事前に設計された接近速度を維持します。プロジェクトでは、これらのパラメータのステータスをドッキングを開始するための条件として使用します。この条件は、飛行制御システムのランデブー制御目標とドッキングシステムが対応すべき初期範囲です。システム全体の観点からは、ランデブーエンドポイントの精度が高いほど良く、ドッキングメカニズムの許容範囲が大きいほど良いと言えます。これは、システム設計指標を割り当てる際に余裕を残す必要があるインターフェースでもあります。

この瞬間、ランデブーシステムは「ハンドオーバー」を完了し、ランデブー・ドッキングミッションのバトンがドッキングシステムに引き継がれました。

ランデブー飛行の終了時に、2機の宇宙船は「1+1」を達成しました。その後のドッキングにより、キャビン構造の「=1」が実現され、動作制御、エネルギー、情報、環境などのキャビンリソースの「=1」の基盤となります。

▲神舟10号が天宮1号と合流しドッキング。出典：CCTV

02

単一の宇宙船から複雑なものまで

ドッキングには何ステップ必要ですか?

2 機の航空機間の機械的な接続を完了し、強固な結合を形成する物理的なプロセスとして、ドッキングは主に 3 つのステップで構成されます。

（１）接触、受入れおよび幾何学的位置補正。

前回の記事では、誤差をなくすためにランデブー飛行中に行われる軌道修正について説明しました。ランデブー飛行が完了すると、宇宙船と宇宙ステーションの位置、相対速度、相対姿勢、角速度が一致する、つまり整列した状態になります。しかし、偏差はまだ存在します。したがって、2機の航空機のドッキング機構が接触した後、最初に行うべきことは、初期の偏差を解消し、双方の機械装置が互いを受け入れ、相対的な位置関係を修正して完全な「位置合わせ」を達成することです。この動作は、ネジを締めるときにネジ穴を合わせる動作に似ています。

地球上の家を建てる際には、伝統的なほぞ継ぎ構造がよく使われます。よく観察すると、ほぞの頭がわずかに細く、ほぞ穴の入り口がわずかに広いことがわかります。宇宙ドッキングの接触面の構造は、より洗練されたほぞ継ぎに似ています。特殊な幾何学的ガイド機能により、2 つの宇宙船のドッキング機構をより近づけて整列させることができ、シームレスかつ相互に組み合わさった状態でフィットします。このタイプの受け入れおよび修正には、ロッドとコーンの組み合わせ、リングとコーンの組み合わせ、および外側が狭く内側が広いガイド フラップの組み合わせが含まれます。よく見かけるネジの頭とネジ穴の端は一対の円錐面の組み合わせで、ガイドフラップは指を広げて互いに差し込んだ2つの手のようなものです。

位置修正後、2機の宇宙船の相対関係が変化しないように、このとき捕捉機構が互いを「掴む」ことで、2機が離れないようにします。

▲ロシアのロッドコーンドッキング機構。出典: ESA

（２）衝突エネルギーを緩衝し消費する。

高速で巨大な宇宙船が互いに接触すると、たとえ速度が比較的低速であっても、衝撃エネルギーはかなりの規模になる可能性があります。宇宙船と宇宙ステーションの少なくとも 1 つに、衝撃の過負荷を軽減し、衝撃エネルギーを消散または吸収するための緩衝装置とエネルギー消散装置を装備する必要があります。

スプリングダンピングと油圧サーボ機構は、ドッキング技術の発展とともに継続的に進化してきたバッファリングの形態です。近年では電磁減衰装置の研究も行われています。適応型電磁気装置は、捕捉とエネルギーバッファリングのタスクを統合できます。さらに顕著な利点は、アクティブ制御リンクの追加により、低衝撃の捕捉を実現し、電磁パラメータの調整を通じて、より広範囲のドッキング車両の質量と初期ドッキング条件に適応できることです。

実際のエンジニアリングでは、緩衝減衰システムは宇宙船のドッキング機構にのみ設置されており、これを「アクティブ・ドッキング機構」と呼びます。宇宙ステーションには、緩衝システムのない「パッシブドッキング機構」が搭載されている。これを行う利点は、宇宙ステーションの片側に複雑な構造がないことです。これは、長期飛行を助長することです。宇宙船の片側の構造は複雑ですが、サービスの寿命が短いため、軌道上の設計と維持は難しくありません。

▲深セン8宇宙船のバッファおよび減衰システム。出典：新華社通信

（3）機械的接続。

2つの宇宙船の衝突エネルギーが緩衝され、吸収された後、2つのドッキング端面が近づいてまとめられ、機械的ロックシステムを介して1つに硬く接続されます。有人宇宙船のための十分な接続剛性と荷重を負担する能力を確保することに加えて、2つの宇宙船のドッキングチャネルを人員が移動できるようにするために、2つの宇宙船間のシーリングを達成することも必要です。バッファシステムの構成原理と同様に、通常、宇宙船の片側にゴム製シーリングリングが構成され、宇宙ステーション側に金属シーリング表面が構成されます。

ドッキング後のキャビン環境接続は、興味深い開発プロセスを受けています。ランデブーとドッキングテクノロジーを突破することを目的とした有人宇宙船のドッキングメカニズムの第1世代は、密閉されたキャビンのつながりを考慮しませんでした。言い換えれば、ドッキングメカニズムは「固体」で固定されています。 1969年1月16日、ソビエト連邦のソユーズ4とソユーズ-5宇宙船が最初の有人ランデブーとドッキングを成功裏に実行した後、宇宙飛行士はキャビンを出て「隣の部屋」に到着しました。その後の第2世代のロッドコーンドッキングメカニズムは、ドッキング後にめちゃくちゃになり、分解できるように設計されました。その後、周辺のドッキングメカニズムが現れました。メカニズムは、中央にドアが付いたリングの形で配置されました。アクティブおよびパッシブドッキングメカニズムがドッキングされた後、ドッキングチャネルが形成され、2つの航空機を直接接続する密閉キャビン環境を構築できます。

▲Soyuz 4および5のドッキングの芸術的な写真。出典：RussianspaceNews

この時点で、2つの宇宙船構造がしっかりと接続されて組み合わせを形成し、電気回路と流体経路が接続され、有人環境が接続されています。 「1+1 = 1」の物理的根拠は完全に満たされています。

同時に、地球と空の間を移動するための輸送手段として、および非永続的にドッキングされた航空機として、ミッションが完了した後、宇宙船を確実に分離する必要があります。したがって、ドッキングロックシステムはロックおよびロック解除でき、逆に移動できるメカニズムでなければなりません。分離の信頼性を確保するために、いくつかのドッキングメカニズムには、障害が発生した場合に接続を「吹き飛ばす」ことができるように、ロックシステムに花火が装備されています。

通常、スプリングメカニズムは分離の能力を提供します。これにより、2つの航空機が特定の初期分離速度を持つことができます。スプリングメカニズムの設計の重要なポイントは、長期圧縮後に安定した分離力を維持し、ガイドメカニズムによって維持できるようにし、2つの航空機の相対的な角速度が翻訳の形で安全に分離するのに十分なほど小さくなることです。

▲貨物ドラゴンの宇宙船は、国際宇宙ステーションを去ります。出典: NASA

03

ドッキングダイナミクス関連の問題

宇宙船が宇宙ステーションを覆さないようにする方法は？

前述のように、ドッキングは衝撃エネルギーを生成します。宇宙船のバッファーおよびエネルギー吸収装置に加えて、この問題に関連する宇宙ステーションプロジェクトにはいくつかの設計があります。

第一に、アクティブなドッキングメカニズムで構成されたバッファダンピングシステムは、ドッキング衝突プロセス中に2つの航空機自体を分離します。実際の効果は、このシステムの同等の動的特性でターゲットを打つことと同等です（航空機全体の特性ではなく）。したがって、このシステムの動的パラメーターを設計することにより、さまざまなドッキング目標とさまざまなドッキングの初期条件に適応できます。

第二に、バッファリングと減衰プロセスを妨害しないために、両方の宇宙船はドッキング後に態度制御を停止する必要があり、組み合わせは自由なドリフト状態にあります。現時点では、バッファシステムにはエネルギー入力がなくなり、ドッキングインパクトのエネルギーを消費するだけが必要です。

第三に、ドッキングダイナミクスのより困難な問題の1つは、エキセントリックな条件下でドッキングすることです。これには、ドッキングメカニズムが大きな偏心反転荷重に耐え、この方向の入力エネルギーを吸収できるようにする必要があります。ソビエトのミール宇宙ステーションで米国の宇宙シャトルをドッキングする協力プロジェクトでは、スペースシャトルのドッキングポートが背中にあり、大衆の中心から遠く離れていた。さらに、航空機の巨大な質量により、当時の既存のドッキングメカニズムは、これらの条件下でドッキングを完了できませんでした。この目的のために、ソビエト連邦はAPAS-89ドッキングメカニズムを特別に開発しました。これは、メイン構造のサイズを拡張し、バッファーシステムで直列に接続された電磁ダンパーを拡大して、メイン構造のサイズを拡張するためにガイドフラップの内向きに転向したレイアウトを初めて採用しました。米国はまた、スペースシャトルの頭と尾の翻訳エンジンを使用して、接触をドッキングした後にジェットパルスを実行して、フリッピングトルクを部分的に相殺した後、ジェットパルスを実行する制御スキームを変更しました。双方の技術的協力により、スペースシャトルとミールは何度も首尾よくドッキングしました。

偏心は、放射状の関節で一般的です。これが、私の国の深セルXIII宇宙船の放射状ドッキング中に、態度制御中の宇宙ステーションアセンブリの自由ドリフト偏向角が、以前の軸ドッキングのドリフト角よりもはるかに大きかった理由でもあります。

▲APAS-89ミール宇宙ステーションとミール空間シャトルドッキングのドッキングメカニズム。出典: NASA

04

ヘテロモルフィズムの提案と適用

ドッキングメカニズムが同じように見えないのはなぜですか？

宇宙ステーションを備えた宇宙船がドッキングすると、2つの宇宙船の機械的ドッキングデバイスは異なり、1つはアクティブで、もう1つは受動的です。 1970年代、ドッキング機関の研究者は、同じ構造を持つ不均一な体、つまりデザインコンセプトを提案しました。英語の言葉はラテン語から来ており、もともとは雌雄同体を意味していました。それはまだ動物学と植物学の用語です。

「同じ構造を持つ不均一な体」の核心は、アクティブ端とパッシブ端のドッキングメカニズムがまったく同じであり、2つの航空機が互いに積極的かつ受動的にドッキングできることです。それが完全に実現した場合、軌道上の航空機は自由に互いにドッキングすることができます。

▲不均一性の概念の図

同じ構造を持つ不均一な体の完璧な概念は、世界の航空宇宙工学では完全には実現されていませんが、ドッキングメカニズムやガイダンスおよび修正装置の受け入れなどのいくつかの側面に適用されています。前のセクションで述べたソビエトのドッキングメカニズムは、APAS（両性具体的な末梢付着システム）と呼ばれ、「雌雄同体/不均一な末梢ドッキングシステム」と翻訳できます。ソビエトのデザイナーは、円錐形のガイドの幾何学的な特徴を反対称の花びらのような構造にしたので、「花」のペアが向きを変えると、花びらを互いに挿入できます。 ASTP-75 Soyuz-Apolloドッキングプロジェクトでは、不均一であるが同一のドッキングメカニズムAPAS-75の第1世代が使用されました。米国とソビエト連邦は、合意されたサイズの仕様に従って同じ外向きのガイドバルブを作成し、両側によって開発されたバッファダンピングデバイスを装備しました。双方の宇宙船は、交代で活動的で受動的になり、2つの「宇宙の手揺」を成功裏に達成しました。

この設計は、アクティブ/パッシブドッキングメカニズムの主要な構造設計を効果的に統一し、さまざまな国の開発者によって受け入れられました。ソビエト/ロシアのドッキングメカニズムは、アクティブおよびパッシブバッファーデバイスを使用してAPAS-89およびAPAS-95にアップグレードされましたが、ガイダンス構造は同じままで、国際宇宙ステーションでまだ使用されています。ヨーロッパで新しく開発された適応電磁ドッキングメカニズムは、同様のガイドフラップも使用しています。私の国のドッキングメカニズムは、内向きのガイドバルブを備えたヘテロモルフィック同型末梢ドッキングメカニズムにも属します。

▲Soyuz-Apolloドッキングミッションにおける不均一なドッキングメカニズム。出典：Mir Hardware Heritage

ソビエト連邦/ロシアと米国は、非常に早い段階でドッキングメカニズムの基準を標準化および統一しようとし、国際宇宙ステーションに参加している国との数回の議論の後、ドッキングインターフェイス基準を開発しました。しかし、実際、この基準はすべての国を拘束するものではありません。技術的および非技術的な理由により、ロシアと米国自体でさえ基準に準拠していません。さらに、ドッキングメカニズムの開発と使用サイクルは長いです。不完全な統計によると、米国側の3組のAPAS-89、ロシア側に16組のCMBおよび13ペアのCMBおよび13ペアの「ロッドコーン」システムを含む、国際宇宙ステーションのみでサービスを共存および提供する4つの互換性のないドッキングと停泊システムがあります。ドッキングインターフェイスの一貫性を解決するよりも現実的なアプローチは、キャ​​ビンがドッキングしている会社のドッキングメカニズムを使用することです。たとえば、ESAによって開発されたATV貨物宇宙船は、ロシアのセグメントにドッキングする必要があるため、ロシア製のドッキングメカニズムを直接購入して設置します。

ドッキングエージェンシーの「普遍的な調和」は理想的であり、より理想的な状況は、ドッキング機関の必要性がまったくないことです。地面にキャビンセグメントを組み立てる場合、ツーリング機器を使用してネジを締めるだけでドッキングの精度を確保できます。ただし、空では、宇宙の偏差逸脱によって引き起こされるアセンブリの精度の欠如を補うために、ドッキングメカニズムを使用する必要があります。ランデブー制御の精度が将来十分に高い場合、ドッキングメカニズムは、より効率的な宇宙施設のアセンブリを実現するために、自動アセンブリメカニズムに直接進化する可能性があります。

▲ヨーロッパのATV貨物宇宙船に関するロシア製のドッキングメカニズム。出典: ESA

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別のドッキングオプションとしてのロボットアーム

従来のドッキング方法にはまだ利点があるのはなぜですか？

初期の宇宙活動では、宇宙船の軌道決定と自律的な測定と制御能力は比較的弱かった。システム目標を達成するために、成熟した機械技術を可能な限り使用して、ドッキングメカニズムの耐性を拡大しました。したがって、当時のドッキングメカニズムはロッドコーンの設計に類似しており、初期ドッキング偏差は30cmと同じくらい幅があります。テクノロジーの開発と軌道測定および制御機能の強化により、初期ドッキング条件の範囲が狭くなり、ドッキングメカニズムをより洗練され、許容範囲とガイド構造を低下させ、体積と重量を減らします。正確な交差により、衝撃エネルギーが減少し、エネルギー吸収装置が簡素化されます。これにより、弱い衝撃ドッキングメカニズムの開発と、ロボットアームキャプチャとドッキングの技術とアプリケーションが発生しました。

ロボットアームをキャプチャしてからドッキングする解決策は、実際に宇宙船のランデブーのエンドポイントをターゲット近くのホバリングポイントとして設定し、初期ドッキング条件のアプローチ速度をゼロに制御することです。このソリューションは、航空機の高精度モーションコントロールとロボットアームの機能性パフォーマンスの利点を完全に活用し、ドッキングメカニズムの耐性とバッファリング能力の要件を大幅に削減します。ロボットアームは、すべての訪問航空機を提供するための普遍的なツールとして機能し、訪問者のドッキングメカニズムを簡素化して軽量化できます。このソリューションのもう1つのユニークな利点は、ロボットアームが宇宙船または訪問モジュールをキャプチャした後、ドッキングのためにドッキングポートに転送できることです。モジュールアセンブリと建設のためのより柔軟なオプションとより広いスペースを提供することです。

従来のランデブーとドッキングには、安全性の点で依然として利点があります。ドッキングプロセスが異常である場合、宇宙船はいつでも避難でき、宇宙船はいつでも分離できます。ロボットアームがドッキングを支援するために使用される場合、転送プロセス中に発生する異常は即時の分離を防ぎ、緊急避難プロセスもはるかに複雑で遅くなります。 SpaceXは、2つのドッキング方法を合理的に使用します。貨物ドラゴン宇宙船のランデブーとホーバーを使用し、その後、ロボットアームとドックで捕獲されますが、有人のドラゴン宇宙船のランデブーとドッキングが直接ドックされます。

テクノロジーの進歩により、RendezvousとDockingは、より細分化されたアプリケーションのニーズに合わせて適応し、満たす独自の強みを備えたより多くの支店技術を開発し、地球と空の間の往復から複雑な宇宙施設の建設までの宇宙ミッションを保証します。

▲中国の宇宙ステーションのロボットアームの図は、宇宙船をつかんで再ドックします。出典：中国科学普及協会

終わり：

工学哲学の文脈におけるランデブーとドッキング

宇宙ステーションが宇宙船の発売前の軌道調整を調整した瞬間から、ゴールが始まると、最終的なドッキングでランデブーとドッキングをドッキングします。このプロセス中、ランデブー飛行は、ロケットの打ち上げと軌道上のエントリとの間の偏差、および軌道測定とさまざまな軌道操作によって導入された逸脱を徐々に排除し、ランデブーの終わりにドッキングする初期条件を作成しました。ドッキングプロセスは、接触の瞬間に2つの宇宙船の相対的な位置、速度、態度の逸脱を排除し続け、衝撃エネルギーを緩衝して消費し、最終的に物理的な接続を完了し、「1+1 = 1」の組み合わせ融合の基礎を築きました。これから見ることができます -

Rendezvousとドッキングは、空間的要素で拡張および分布する複雑なシステムであり、時間座標で動的に開発されます。それは、完全性、体系的性、相関に関する体系的な科学的思考を持ちます。

RendezvousとDockingは、制御中心のテクノロジーを通じて全体的な最適化を達成するエンジニアリング設計のセットであり、システムエンジニアリングの科学的方法を組み込んで、多要因、マルチクレーム、多目的、多段階、および多可変問題を解決します。

Rendezvousとドッキングは、軌道科学と航空宇宙技術の法則に基づいて大規模なスペース施設を構築する活動です。それは、知識と行動の相互成長のシステム哲学、および身体（構造）と使用（機能）の間の相互作用のシステム哲学の科学的実践を具体化します。

上記の多次元探査ミッションを担当する中国の宇宙ステーションは、科学的、技術的、工学的目標に向かっており、世界の理解を拡大しています。

プロデューサー: 李暁雲

編集者：郭建偉、斉立軍

校正：馬玉聰

出典：新華網サイケ