56 лет назад впервые в мире осуществлена автоматическая стыковка КА в космосе

Первая автоматическая стыковка в космосе двух космических аппаратов



Запуск в Советском Союзе первого в мире искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года открыл новую эру в истории человечества – космическую эру. Вскоре после полета в космос в 1961 году первого человека – Юрия Гагарина в СССР заговорили о космических проектах со стыковкой, так как у одиночного корабля на орбите не так уж много возможностей. В космосе, как и на Земле, в одиночку нельзя решать большие задачи – нужны партнеры. Осознав это, в ОКБ-1 (ныне РКК "Энергия" им. С.П. Королева) под руководством Сергея Королева приступили к разработке орбитальных комплексов со средствами сближения и стыковки. Уже на начальном этапе рассматривались конкретные применения этой техники, например, сборка на низкой орбите ступеней ракеты для запуска спутника-ретранслятора на геостационарную орбиту, сборка тяжелых орбитальных и межпланетных станций.
Для решения таких задач отрабатывались методы и системы взаимного поиска двух кораблей, выведенных на близкие орбиты, маневрирования, сближения, причаливания, стыковки и расстыковки и др.
Первая стыковочная система создавалась для стыковки космических кораблей серии "Союз", которые сначала предназначались для пилотируемого облета Луны. Эти корабли должны были стыковаться на орбите Луны. В 1965 году проект "Союз" был переориентирован на создание пилотируемого орбитального корабля, получившего обозначение 7К-ОК и унаследовавшего название от проекта. Несмотря на то, что от полета к Луне было решено отказаться, программа их развития по-прежнему предусматривала сближение и стыковку "Союзов" в космосе в автоматическом режиме. При первых полетах эти космические аппараты именовались "Космос".


Процесс стыковки в космосе космических аппаратов очень сложен. Для того чтобы их состыковать, необходимо аппараты предварительно сблизить, причем очень аккуратно с малой скоростью особенно на конечном участке, чтобы исключить соударение друг с другом.
Идеология режима сближения кораблей в космосе разрабатывалась в ОКБ-1. Ими был принят вариант автоматической стыковки, когда один космический аппарат является "активным", а другой – "пассивным". Активный аппарат осуществляет поиск пассивного аппарата в пространстве, обнаружение, подход к нему, сближение и причаливание. Пассивный аппарат при этом выполняет более простые функции: он должен ориентироваться определенным образом в пространстве и служить маяком для активного аппарата. Активный космический аппарат содержит радиосистему наведения, которая позволяет производить поиск в пространстве пассивного космического аппарата, измерение параметров относительного движения спутников и передает соответствующие сигналы на систему ориентации и автоматического управления движением аппарата.
Для осуществления автоматической стыковки были разработаны системы, обеспечивавшие маневрирование и сближение на орбите  космических аппаратов, среди которых центральное место занимала система ориентации и управления движением. Аппаратура для сближения и причаливания космических кораблей (бортовой радиолокатор) проектировалась в НИИ-648 (ныне Научно-исследовательский институт точных приборов, входящий в холдинг "Российские космические системы"). В 1962 году по личной инициативе Сергея Королева в институт поступило предложение проработать возможность разработки и изготовления такой аппаратуры. По условиям технического задания, один из сближающихся объектов должен быть активным, то есть совершать необходимые маневры и включения двигателей в соответствии с алгоритмами системы управления движением по сигналам от будущей системы взаимных измерений параметров относительно движения. Второй объект – пассивный, – должен постоянно ориентироваться в направлении активного объекта. Ориентация должна была осуществляться вплоть до касания.
Требования по точности измерений и весу аппаратуры казались невыполнимыми, сроки жесткими. Несмотря на это, за работу взялся коллектив под руководством Евгения Кандаурова. Он предложил архитектуру новой радиотехнической системы, принципы построения которой сохраняются во всех последующих поколениях аппаратуры систем взаимных измерений для сближения и стыковки космических кораблей.
Специалисты разработали документацию, рассчитали измерительные каналы радиосистемы, изготовили и отработали экспериментальные образцы аппаратуры системы, получившей название "Игла", для пассивного и активного объектов, провели доработку опытных образцов, изготовили, испытали, отрегулировали и поставили штатные комплекты "активной" и "пассивной" аппаратуры для оснащения ими космических кораблей.
Разработанная система "Игла" позволяла производить стыковку кораблей как в автоматическом режиме (основной вариант), так и в ручном (запасной вариант). Она обеспечивала автоматический поиск на орбите космического аппарата – цели, а затем с расстояния от 25 километров до собственно механического касания космических аппаратов определяла направление на цель, дальность и относительную скорость сближения. Система состояла из двух частей: запросчик – "Игла-1", размещавшийся на "активном", маневрирующем космическом корабле, и ответчик – "Игла-2", устанавливающийся на "пассивном", неподвижном корабле. "Игла" была построена преимущественно на транзисторах, в передатчике использовались металлокерамические лампы.

Разработка различных вариантов стыковочных узлов проводилась в ОКБ-1 с 1962 года. В результате была спроектирована система, получившая название "штырь – конус". Разработанное стыковочное устройство, состоит из двух агрегатов, устанавливающихся на стыкуемых космических аппаратах. На одном из них, называемом активным, располагается стыковочный механизм со штырем; он выполняет все активные операции по стыковке и последующей расстыковке. На пассивном агрегате устанавливается приемный конус с гнездом, в который при стыковке попадает головка штыря, осуществляя, таким образом, начальную механическую сцепку. Стыковочный механизм содержит амортизаторы, поглощающие энергию соударения космических аппаратов. После сцепки производится выравнивание агрегатов до стягивания и совмещения стыков. При стягивании электроразъемы, расположенные на стыке, соединяются между собой, производя так называемую электрическую стыковку. После завершения совместного полета космические аппараты расстыковываются, головка механизма и гнездо расцепляются.
Первыми были оборудованы специальными системами сближения и узлами стыковки беспилотные космические корабли 7К-ОК ("Союз") № 5 ("Космос-186") и № 6 ("Космос-188"). При стыковке "Космос-186" отводилась роль "активного", маневрирующего корабля, а "Космос-188" – "пассивного" неподвижного. На предстартовой Госкомиссии главный конструктор ОКБ-1 Василий Мишин отметил, что целями совместного полета являются проверка надежности всех систем, осуществление маневров по сближению. Задача выполнения автоматической стыковки не ставилась.

27 октября 1967 года состоялся запуск корабля "Космос-186". В течение трех суток проверялась работа его систем, и 30 октября стартовал "Космос-188". После того, как на Земле группа управления убедилась, что все системы кораблей работают без замечаний, была дана команда на сближение космических аппаратов. В это время оба космических аппарата ушли из зоны видимости советских наземных измерительных пунктов. Вмешаться в процесс людям было невозможно. Космические аппараты автоматически провели взаимный поиск, сближение, причаливание и стыковку. Эти процессы проводились с помощью специальных радиотехнических средств и счетно-решающих устройств, установленных на борту.
Когда космические корабли снова вошли в зону видимости советских наземных измерительных пунктов, было зафиксировано по телеметрии, что есть признаки захвата и стыковки. Телекамера активного корабля передала изображение неподвижного относительно него пассивного корабля. Обработка телеметрической информации показала, что процесс сближения начался на расстоянии 24 километров между кораблями. Взаимная ориентация длилась 127 секунд. На активном корабле двигатель включался 28 раз, в режиме причаливания – 17 раз. Расход топлива существенно превышал расчетный. Весь процесс до механического захвата продолжался 54 минуты. "Игла" была выключена на обоих кораблях, но процесс стягивания не закончился, штепсельные разъемы, обеспечивающие электрическую связь, не состыковались, им что-то мешало. Тем не менее, корабли были состыкованы жестко.
В результате первая автоматическая стыковка космических кораблей состоялась 30 октября 1967 года в 12 часов 20 минут по московскому времени вне зоны радиовидимости советских наземных измерительных пунктов, без контроля с Земли. Полной стыковки тогда не получилось – корабли выполнили лишь жесткий механический захват, но и это была уже победа.
Жестко состыкованные "Космос-186" и "Космос-188" продолжали в течение 3,5 часов полет по орбите высотой примерно 276 километров, выполняя программу научно-технических исследований. В 15 часов 50 минут по московскому времени 30 октября по команде с Земли была проведена автоматическая расстыковка аппаратов, затем при помощи бортовых двигательных установок был осуществлен перевод обоих спутников на различные орбиты и возвращение их на Землю.
15 апреля 1968 года состоялась вторая автоматическая стыковка на орбите космических аппаратов "Космос-212" и "Космос-213". Она была осуществлена с полным механическим и электрическим соединением кораблей, еще раз подтвердив надежность автоматической стыковки.

Успешное завершение этого грандиозного эксперимента открыло широкие перспективы создания орбитальных научных станций для исследования космического пространства и сложных космических систем для межпланетных полетов. Первая стыковочная система, пройдя множество модернизаций, до сих пор исправно доставляет космонавтов и астронавтов на борт Международной космической станции.

Первая в мире полностью автоматическая стыковка двух космических аппаратов
Первая в мире полностью автоматическая стыковка двух космических аппаратов (беспилотных кораблей «Союз» под названиями «Космос-186» и «Космос-188») была произведена 30 октября 1967 года в СССР.

27 октября 1967 года в 12 часов 30 минут по московскому времени был произведен запуск искусственного спутника Земли «Космос-186» на орбиту с параметрами:
начальный период обращения – 88,7 минуты;
максимальное расстояние от поверхности Земли (в апогее) – 235 километров;
минимальное расстояние от поверхности Земли (в перигее) – 209 километров;
наклонение орбиты – 51,7 градуса.
30 октября 1967 года был произведен запуск искусственного спутника Земли «Космос-188» на орбиту с параметрами:
начальный период обращения – 88,97 минуты;
максимальное расстояние от поверхности Земли (в апогее) – 276 километров;
минимальное расстояние от поверхности Земли (в перигее) – 200 километров;
наклонение орбиты – 51,68 градуса.
После выхода на орбиту оба спутника, оборудованные специальными системами сближения и узлами стыковки, провели ряд сложных маневров в космическом пространстве. Автоматически были проведены взаимный поиск, сближение, причаливание, и оба аппарата состыковались друг с другом в 12 часов 20 минут московского времени.
Процессы поиска, сближения и стыковки проводились с помощью специальных радиотехнических средств и счетно-решающих устройств, установленных на борту.
Телевизионное изображение состыкованных аппаратов, а также телеметрическая информация передавались на Землю бортовыми радиотелевизионными установками и телеметрическими системами и принимались сетью наземных пунктов.
Жестко состыкованные искусственные спутники «Космос-186» и «Космос-188» продолжали в течение 3 часов 30 минут полет по орбите высотой примерно 276 километров, выполняя программу научно-технических исследований.
В 15 часов 50 минут московского времени 30 октября по команде с Земли была проведена автоматическая расстыковка аппаратов, затем при помощи бортовых двигательных установок был осуществлен перевод обоих спутников на различные орбиты и возвращение их на Землю.
Была решена сложнейшая научно-техническая проблема автоматической стыковки космических аппаратов на орбите. Это открыло широкие перспективы создания больших космических комплексов, способных проводить сложные и разносторонние исследования космического пространства.
Для справки: Американцы первыми выполнили ручную стыковку (корабль "Джемини-8" состыковался с ракетой "Аджена" 16 марта 1966 г.). Режим ручной стыковки является для НАСА основным и по сегодняшний день - так стыковались корабли "Шаттл" к МКС. А вот автоматическую стыковку ни НАСА, ни Европейское космическое агентство так и не освоили. На европейских грузовых кораблях ATV стоят российские системы автоматической стыковки, американские корабли Dragon и японские HTV стыкуются к МКС при помощи манипуляторов.
Именно автоматическая стыковка космических аппаратов является отличительной особенностью советской/российской космонавтики. В автоматическом режиме стыкуются к российскому сегменту МКС пилотируемые корабли "Союз", грузовые корабли "Прогресс" и ATV. Необходимо отметить, что, в случае проблем с автоматикой, ручной режим на российских кораблях также предусмотрен.