Полезные заметки/Стыковка

Стыковка — процедура, когда два космических аппарата встречаются, причаливают друг к другу и соединяются в один. Звучит очень просто. Но всё ли так просто?

Рандеву

Начнем с того, что космос — это не только очень высоко и даже не только очень быстро. Это очень быстро в очень разных направлениях. Разница в скорости двух космических кораблей, которые болтаются на одной и той же орбите, может достигать удвоенного значения первой космической скорости (в случае, если они болтаются на противоположных концах низкой околоземной орбиты). Поэтому для стыковки нужно сначала осуществить манёвр, который называется сближением или рандеву. Задача этого манёвра — сделать так, чтобы два космических корабля летели по орбите рядышком в одном направлении, их скорости относительно планеты совпадали и по скаляру, и по вектору, а их скорость друг относительно друга равнялась нулю.

Маневр сближения сложен и в простейшем случае состоит из двух частей: пересечения и сравнения скоростей. Пересечение — это когда один корабль прилетает к другому, а сравнение скоростей — когда он останавливается относительно другого (если его не совершить, то первый корабль беззвучно и очень быстро «вжикнет» мимо). В сравнении скоростей ничего сложного нет, самое важное в рандеву — это добиться пересечения. Для этого первый космический корабль должен лечь на другую орбиту, которая в определенной точке пересекается с орбитой другого корабля. И эту орбиту необходимо рассчитать, да так, чтобы переход на неё не сожрал весь запас дельты на борту первого корабля.

Если оба корабля вращаются вокруг планеты в одной плоскости и в одном направлении, но под разными фазовыми углами, то первый корабль должен или догнать второй, или «сбавить ход», чтобы второй его догнал. Чтобы догнать кого-то на орбите, надо орбиту сузить. Чем ниже орбита, тем выше скорость на ней. А чтобы сбавить скорость обращения по орбите, надо, соответственно, ее повысить. Причем не обязательно поднимать или опускать всю орбиту целиком. Можно сделать ее более или менее эллиптической, подняв или опустив только перицентр (самую нижнюю точку) или апоцентр (самую высокую точку).

Если у двух орбит разные плоскости, то первый корабль должен перейти в плоскость второго. В этом нам помогут точки, где две орбиты пересекаются, которые называются узлами. Их две: одна называется восходящим узлом, а другая нисходящим. Чтобы поменять плоскость орбиты, нужно включить ракетный двигатель в нужном направлении во время прохождения одного из узлов.

Все эти расчеты можно свести в один, суммировать и проложить объединенный маневр, который за один прожиг позволит лечь на курс, ведущий к пересечению. После этого уже на новой орбите нужно запланировать маневр сравнения скоростей. После того, как оба этих маневра проведены, рандеву достигнуто, и оба корабля болтаются рядом на одной орбите. Можно стыковаться.

Собственно стыковка

Разумеется, любой корабль с любым не состыкуешь. Во-первых, надо, чтобы на них было, чем стыковаться. Нужны стыковочные узлы — специальные люки, которые соединяются один в другой герметично и стягиваются так, чтобы после стыковки можно было открыть оба люка и перейти из одного корабля в другой. И эти узлы должны быть совместимы друг с другом. Если стыковочные узлы разного размера, или разной формы — они не сложатся тютелька в тютельку так, чтобы между ними не утекал воздух, и стыковка не получится.

Стыковочные узлы бывают «активно-пассивные» («штырь-конус», а.к.а. «папа-мама») и «андрогинные». Смысл первых понятен по названию — один представляет собой выступающее кольцо, другой — углубление под это кольцо. Стыковать можно только папу с мамой. И никаких страшных американских букв! Смысл же стыковочных узлов второго типа в том, что они оба одинаковые. Например, на одном два выступа и две впадины, и на другом два выступа и две впадины, и если повернуть один относительно другого, то выступы войдут во впадины, а впадины примут выступы. Соответственно, стыковать можно два аппарата с узлами одной конструкции.

Но, допустим, у нас стыковочные узлы совместимы, оба корабля сблизились и сравнили скорости. Теперь нужно собственно состыковать. Проще всего, если в процессе участвуют оба корабля. Тогда процесс напоминает русскую народную сказку: «Избушка-избушка, повернись к лесу задом, а ко мне передом!». Один корабль с помощью двигателей системы ориентации и гироскопов поворачивается стыковочным узлом к другому, а другой к первому. После этого достаточно только слегка дунуть двигателями, чтобы подтолкнуть один навстречу другому с малой скоростью, и постараться не промахнуться.

Если же один из кораблей не может повернуться — например, на нем нет двигателей системы ориентации, или он вообще станция и слишком громоздок, чтобы вертеться — тогда вся задача по стыковке лежит на том корабле, который вертеться может. Он должен сначала выйти на ось стыковки, то есть на луч, который смотрит прямо из стыковочного узла неподвижного корабля. На этой оси он должен погасить всю скорость и дунуть уже по направлению этого луча, чтобы двигаться в стыковочный узел.

Ошибка в стыковке приведет к тому, что стыковочные узлы стукнутся друг о друга, но тютелька в тютельку не войдут, и корабли отскочат друг от друга. Значит, труд насмарку. Как снизить шанс ошибки? Во-первых, конечно, можно в процессе подруливать двигателями системы ориентации, если видишь, что тебя несет куда-то под углом. Во-вторых, может помочь так называемая «лапа» — стыковочный манипулятор, длинная роботизированная рука, которая может поймать твоего визави и точно засунуть его стыковочный узел в свой. «Лапа» была изобретена как манипулятор перестыковки — то есть, она захватывала корабль, уже состыковавшийся с одним узлом, и переносила его в другой. Но современный потомок «лапы» на МКС — манипулятор «Канадарм» канадского производства умеет ловить и первично стыкующиеся корабли.

Космические погони и абордажи

Во всех вышеописанных случаях рассматривалась ситуация, когда сближаются и стыкуются корабли, экипажи которых сами этого хотят. Или как минимум один хочет, а другой не препятствует — как в той миссии по восстановлению станции «Салют-7». Но что делать, если на одном из кораблей этой стыковки абсолютно не желают? Например, на другом корабле кровожадные космические пираты, которые кричат по радио «Йо-хо-хо, и бутылка арктурианского мега-рома»? Тогда у них есть все возможности этой насильственной стыковке помешать.

В первую очередь можно не дать противнику совершить маневр рандеву. Уклонение от рандеву — и есть космическая погоня. Сначала один аппарат пытается получит пересечение, а другой маневрирует, изменяя свою орбиту. «Ты думал, что получил пересечение с моей орбитой? Ты ошибся, у меня уже другая орбита!». Это может продолжаться, пока у преследуемого хватает дельты на борту менять орбиту, или пока он не утратит бдительность, не поведет себя предсказуемо и не позволит преследователю все-таки выйти на пересечение и совершить сравнение скоростей.

Если враг совершает сравнение скоростей, еще не поздно пытаться улизнуть. Включайте маршевый двигатель! Им придется включать свой, чтобы опять сравнить скорости, и начинается погоня в привычном смысле — один убегает, другой догоняет. Продолжаться это может до тех пор, пока у одной из сторон не кончится дельта, или преследователю не станет жалко тратить дельту на продолжение погони. Во втором случае поздравляю, преследователя стряхнули с хвоста. В первом же…

Когда «весёлый Роджер» уже рядом и его видно в иллюминатор, и нет возможности дать газу маршевым двигателем, помешать насильственной стыковке всё ещё можно… если они собрались ломиться в стыковочный узел. Преследуемый должен крутануть свой аппарат двигателями системы ориентации, чтобы не дать вражине выйти на прямую «узел в узел». По законам механики, один раз крутанешь в вакууме, и он так и будет крутиться. И пока он так вертится, провести нормальную стыковку невозможно. Как тогда абордировать упрямца? Например, можно, чтобы пара отчаянных абордажников вышла в скафандрах в открытый космос, на ранцевых двигателях долетела до преследуемого корабля, ухватилась за люк шлюза и вскрыла его подручным инструментом, или поотшибала двигатели ориентации подручными тяжеленькими молоточками, или как-то иначе прекратила сопротивление и погасила вращение. Либо может присутствовать специальная «абордажная капсула», которая каким-то образом присасывается к любому борту вражеского корабля герметично и позволяет абордажникам внутри начать вскрывать борт резаками. Либо поможет опять же «лапа», но эта «лапа» уже применяется абордажниками, чтобы сцепиться с преследуемым кораблем и прекратить его верчение. Но абордировать сопротивляющийся космический корабль — всегда задача чертовски непростая. Особенно если пираты хотят захватить корабль с минимумом повреждений (например, если на борту груз, который не вынесет вакуума — или самому захватываемому звездолёту планируется «приделать дюзы», в ангаре дядюшки Ы на Альфе Центавра перебить номера и продать).