ロシアの国際宇宙ステーションとの超高速ドッキング方式について

今日（202/7/23）の天文仮想研究所の集会で話したプログレス貨物船やソユーズ宇宙船が行った3時間あまりで国際宇宙ステーションとドッキング出来る超高速ドッキングについてSPACEFLIGHT IOIの"Russia to Introduce Two-Orbit Express Rendezvous with International Space Station"の2017/10/6の記事を下調べとしてDeepLの力を借りつつ仮訳したので、資料として貼っておく。

ロシア、国際宇宙ステーションとの2周軌道特急ランデブーを導入へ

ロシアは、ソユーズ宇宙船とプログレス宇宙船のランデブーを高速化し、国際宇宙ステーションへの乗組員と貨物の輸送を、過去5年間使用されてきた現在の6時間の飛行プロファイルよりも高速化することを計画しています。次回のプログレスMS-07貨物補給ミッションでは、新しい2つの軌道でのランデブー飛行が採用され、打ち上げから乗組員ミッションとのドッキングまでわずか3時間半で完了し、プログレスで実証された新しいランデブー技術の幕開けとなります。

何十年もの間、ロシアのソユーズや米国のスペースシャトルのクルーは、通常、軌道上の目的地に到着するまでに2日間飛行していました。2012年に4軌道6時間のランデブーが導入されたことで、クルーはソユーズ宇宙船の窮屈なスペースを国際宇宙ステーションの快適さと交換することができるようになり、その代わりに、ソユーズ宇宙船は34周回してISSとリンクしている間に2泊する必要がなくなりました。

しかし、ジェミニ計画やソユーズ計画の初期のミッションの多くは、直登プロファイルによる素早いランデブースキームを利用していたので、高速ランデブーマヌーバは歴史的に見ても目新しいものではありません。当時の高速マヌーバは、目標物を特別に設計された軌道に投入して、チェイサーを目標物の軌道面に展開し、両者の間に小さな角度の距離を置くことで達成されていた。

米国の宇宙計画における初期のランデブーとドッキングのデモンストレーションは、ジェミニ計画中に行われたもので、最初のランデブーはジェミニ7の長期ミッションの11日後に打ち上げられたジェミニ7とジェミニ6A宇宙船の間で行われました。

その後、乗組員のジェミニ宇宙船と無人のアジェナ・ターゲット・ビークルとの間で行われたドッキング・デモンストレーション・ミッションでは、ジェミニ宇宙船の乗組員がすでに自分たちの宇宙船に座っているときにアジェナを打ち上げ、アジェナが地球を1周した後に軌道に持ち上げる準備ができていました。現在までのところ、ジェミニ11号は乗組員による最速ランデブーの記録を保持しており、打ち上げから94分後にアジェナ・ターゲットビークルとドッキングしている。

1968年には、ソユーズ宇宙船の非操縦版であるKosmos-213が、同じく非操縦版のソユーズ宇宙船であるKosmos-212と、離陸からわずか47分後、軌道に到達してから38分後にドッキングしました。ゲオルギー・ベレゴヴォイによって操縦されたソユーズ3は、その目標に到達することができましたが、前日に打ち上げられたソユーズ2は、離陸後1時間未満であったが、200メートルの距離でドッキングを中止しなければならなかった。

宇宙開発競争が頂点に達し、人類が月面を歩くようになった後、宇宙ステーションの周回軌道時代が到来した。軌道上の宇宙ステーションの長期運用の要件を考えると、そのようなマヌーバのための厳格な段階的な要件を設定するために、ステーションの軌道を正確に十分に調整することができなかったためダイレクトアプローチの可能性はもうありませんでした。

その代わりに、米国は 8 時間のランデブーを開発し、ロシアはソユーズの乗組員を 1 日間の飛行でサリュート宇宙ステーションに運んだが、ランデブーを 34 軌道に拡大した。国際宇宙ステーションへのソユーズとプログレスのミッションでは2日間のランデブーが採用され、米国のスペースシャトルもMirやISSとリンクする際には2日間の軌道プロファイルを使用しています。

宇宙機を軌道上の目的地に到達させるためには、チェイサーの射出軌道とターゲットの軌道との平面的な分離と、ランデブーを開始する際の2つの宇宙機の位相角という2つの重要なパラメータに注意を払わなければならない。

通常、特定の目的地を目指すミッションでは、地球の自転によって発射地点がターゲット宇宙船の軌道面に入る瞬間に打ち上げなければなりません。それ以外の時間に打上げが行われると、結果として得られる軌道は目標軌道面を横切る角度が急すぎて、チェイサーが限られた推進剤の供給量で修正することができなくなる。

しかし、スペースシャトルやアトラスVのように、上昇中にヨーステアを行うことで、平面の窓を広げることができたものもあります。

ランデブ・マヌーバにおける第二の制約は、軌道に挿入された瞬間のチェイサーとターゲットの間の位相角である。位相角とは、同じ軌道上での宇宙船とターゲットの角度の違いを指し、ターゲットに到達するためにチェイサーが「追いつく」ための距離の尺度とすることができる。

目標よりも低い軌道に打ち上げられた場合、チェイサーの軌道期間は短くなり、時間の経過とともに追いつくことになります。ターゲットの軌道面が発射場を通過した瞬間に、ターゲットは地球の軌道上のどこにいてもおかしくありませんが、事前にターゲット車両が平面発射時に軌道上の特定の位置にいるように準備しておかなければなりません。

2日間のアプローチでは、チェイサーが目標に追いつくための相対的な操縦の面で多くのオプションが可能になります。実際、ソユーズは2日間の宇宙ステーションへの旅で150度という広い位相差を持っていました。しかし、高速ランデブー計画では、時間が非常に重要な場合、ソユーズの追いつき能力には限界があるため、位相角は35度を超えることができませんでした。

ターゲットの軌道が進むにつれて自然に正しい形状になるのを待っていては、好ましい打上げスロットの間に数週間が経過してしまうことになります。そのため、位相角を慎重に制御するために、ターゲット機の軌道を微妙に変化させて、適切なタイミングでターゲット機を適切な位置に配置するための小さな操作を行います。これらの操作は、チェイサーの打ち上げ日の近くに行うと、適切な位相を設定するために大きな変更が必要となるため、非常に大きな意味を持ちますが、軌道の進行を適切に計画して数週間かけて行えば、これらの位相調整操作は毎秒1メートルという小さなものになり、大気圏上層部での抵抗に対抗するための軌道維持操作として二重に行うことができます。

4軌道ランデブー技術の開発は、ソユーズメーカーのRSC Energia社とロシアミッションコントロールセンターの軌道部門が2010年以前に研究対象として着手したものです。

何よりもまず、狭いソユーズ内での滞在時間を短縮することが重要ですが、人間的な要因も考慮すると、ほとんどのクルーが微小重力による不快感を覚えるのは最初の6〜7周を回ってからであり、飛行の最初の数時間は通常、何年もの訓練を経てようやく宇宙に到着したという爽快感に支配されます。この最高の警戒態勢の中でランデブーを完了させ、宇宙旅行の初期の副作用である吐き気や疲労をISSの快適さの中で対処することは、クルーの立場から見ても有益であると考えられました。

技術面では、ランデブーの高速化により、プログレス／ソユーズ宇宙船の推進剤消費量が減少したことがプラスに働きました。2日間のランデブーと6時間のランデブーでは、宇宙ステーションの軌道に到達するための燃料消費量は変わらないが、2日間の姿勢制御が不要になったことで、宇宙船の姿勢制御に費やす燃料は約20キログラム削減された。

つまり、軌道上昇マヌーバを行う前の初期軌道パラメータの測定のために注入軌道で全周を過ごすのではなく、新しいランデブーでは、計画された軌道上の注入パラメータに基づいて、最初のマヌーバを地球の周りの1周目に完了させることを要求しています。注入後の実際のパラメータの測定値は、事前に計画された燃焼を用いて外挿され、修正マヌーバはミッションの2周目の軌道上で行われ、3周目の自動ランデブーシーケンスの開始に向けて宇宙船の位置を決めるように設計されています。

ソユーズとプログレスが200km離れた場所から無線ナビゲーションシステムを使ってリンクアップするランデブーの最終段階は、飛行設計者が実証済みの方法に触れたくないと考えたため、34周回のプロファイルから100分程度の変更はありませんでした。

ロシアの宇宙計画では、貨物宇宙船と乗組員宇宙船の設計が非常に似ているため、新しい技術や技術が導入された場合には、貨物車両がパスファインダーの役割を果たし、乗組員ソユーズのリスクを軽減することができます。4 軌道ランデブーの仕組みは、2012 年 8 月のプログレス M-16M ミッシ ョンで最初に実施されたプログレスの一連のデモンストレーションで実証されました。2012年と13年に行われた2回のプログレスミッションでも、4周回してISSに到達することに成功し、新しいランデブーは乗組員飛行に使用されることになりました。

2013年3月には、Pavel Vinogradov、Aleksandr Misurkin、Chris CassidyのソユーズTMA-08Mクルーが、初めて当日の打ち上げとドッキングに成功しました。その後の3回のソユーズミッションも順調に進み、ソユーズTMA-12MはISSに向かう途中で、最初の軌道2号修正マヌーバでトラブルに見舞われましたが、フライトソフトウェアの問題で船体の向きがおかしくなってしまいました。TMA-12Mは、急行ランデブーから2日間のプロファイルへの安全なアボートを実証し、遊覧飛行を行った後、ISSへのドッキングを成功させました。

軌道形状がスケジュール変更により不利になった場合や、プログレスとソユーズのMSシリーズが2日間の連続飛行で発足した場合などは例外もありますが、発足以来、プログレスとソユーズは高速ランデブープロファイルを採用して国際宇宙ステーションへの飛行を行ってきました。

4軌道プロファイルが実用化された時点で、将来のISSへの飛行をさらに高速化するための作業がすでに行われていました。ソユーズ2-1Aロケットは、従来よりもはるかに高い軌道投入精度を持ち、2号軌道の2つの補正マヌーバを廃止し、自動ランデブーフェーズはそのまま残すことができるため、大きなフライトデザインの変更なしに3軌道プロファイルが可能であると考えられました。軌道番号2のマヌーバが削除されたことで、既に制限されていた位相角の上限である30-35°から25-28°にわずかに引き締まると予想されています。

2 軌道の打ち上げからドッキングまでのプロファイルを実現するためには，非常に狭い位相角の範囲を扱うか，平面と位相角の制約の間で妥協点を見つけるために別のアプローチを取らなければならない．ロシアの飛行力学チームによって選択された方法は、準コプラナー挿入と呼ばれ、平面の発射窓を広げ、平面の分離を管理可能な範囲内に保ちながら、位相角を最適化した軌道にチェイサーを発射することを可能にします。

2つ目の重要なトリックは、軌道の傾きを変えることで、宇宙ステーションとチェイサーの軌道が交差する角度を減らし、チェイサーがISSの軌道に平面的に変化するのに必要な速度の変化を減らすことができます。このような軌道力学の活用がなければ、2 軌道プロファイルは推進剤を過剰に消費することが判明し、実用的ではなかったと思われます。

RAAN(Right Ascension of Ascending Node)の角度分離を0.65°とした場合、平面打上げ時間は±2.5分となり、宇宙ステーションの位相角の設定に多少の余裕ができることになる。しかし、その結果、ISSの軌道とプログレス/ソユーズの軌道が交差する角度は0.51°となり、平面変更を達成するためには66m/s以上のΔVが必要となる。軌道の傾きを±0.18°変化させることで、ソユーズは25m/sという管理しやすいΔVで平面変化を達成することができる。

平面窓を±5分（位相角20°に対応）に広げると、傾斜角を±0.35°変更しても、ソユーズ/プログレスの典型的な推進剤マージンの範囲内であれば管理可能な50m/sのデルタVで平面変更が可能となる。

この2つの軌道プロファイルは、ソユーズ/プログレスMSシリーズの新機能、特に衛星航法や地上からのポストインサーションによる軌道決定機能を利用して、実際の注入軌道に合わせた軌道上昇マヌーバを目標とし、自動ランデブーシーケンスを開始できる地点まで直接マヌーバを行うことができます。

また、制御システムとKURSナビゲーションシステムの改良により、自動ランデブー開始時の状態ベクトルの偏差が大きくなり、噴射・操縦の精度に余裕が生まれました。

この新しいフライトプロファイルを使用するプログレスMS-07ミッションの承認は、今週、ソユーズ2-1Aロケットで10月9時32分06秒UTC（世界標準時）に打ち上げられることになりました。

www.DeepL.com/Translator（無料版）で翻訳しました。

元記事：https://spaceflight101.com/progress-ms-07/russia-to-introduce-two-orbit-express-rendezvous/