Rendez vous spatial

La technique du rendez-vous spatial est bien rodée depuis des années, et il faut à chaque fois 2 jours pour qu'une navette ou Soyouz rejoigne la station ISS.
Certe les manoeuvres sont délicates mais, au vu de mon expérience sous le simulateur Orbiter je me demande pourquoi un délai si long. Cette interrogation est d'autant plus d'actu que prochainement les russes doivent tenter un rendez-vous quelques heures après un lancement.

Donc je résume ma pensé, prenons le cas d'un Soyouz

1) On attend que la trajectoire (le plan orbital) d'ISS passe au dessus du site de lancement et on lance le Soyuz dans la même direction.



2) Nous avons donc un plan orbital identique pour ISS et soyuz. Sauf que le Soyuz traine dans les 180km et ISS dans les 400km d'altitude (dessin de gauche ci dessous). Résultat Soyuz fait le tour de la Terre en 87mn et ISS en 92mn, soit 5mn de différence. Ce sont ces 5mn qui vont permettre de "rattraper ISS" à chaque tour.

3) 5mn d'écart ça veut dire que Soyuz peut prendre un tour d'avance en 18 révolutions, soit 1 jour et 2h (ou 27h). Mais on n'a pas besoin d'aller jusque là, si on lance Soyuz quand ISS est proche on peut faire en sorte qu'elle soit juste devant (sur un plan projeté), disons dans le même quart de tour.

4) Evidemment les deux vaisseaux ne sont pas sur la meme altitude. sur un plan projeté on va donc attendre que Soyuz s'approche puis on va allumer les moteurs du Soyuz pour amener le point opposé de l'orbite à une altitude identique à ISS (dessin central ci dessous)
Résultat, la trajectoire sera ovale avec un apogée égale à ISS (400km) et un périgée égale à 180km. Au lieu de gagner 5mn sur ISS on ne gagne plus que la moitié, soit 2mn30. Le Soyuz va donc se rapprocher plus lentement d'ISS.

5) Lorsque que Soyuz et ISS seront vraiment très proche, restera à finir la circularisation à 400km. Cela ne peut se faire qu'au point d'apogée, dans le sens prograde (dessins de droite ci dessous).

6) Une fois fait, on se retrouve avec ISS et Soyuz sur la meme orbite (plan orbital et altitude identique). En théorie leur distance ne doit plus bouger d'où l'interet de faire cela à des moments précis pour qu'ils soient le plus proche possible. Si cela a été bien fait les engins doivent se trouver à moins de 100km l'un de l'autre, peut etre 10km si la précision a été bonne. Ensuite, on utilise les RCS pour finaliser l'approche et le rendez vous.



En théorie, en optimisant les moments de lancement par rapport à la position d'ISS, le moment du premier burn et du second burn, on devrait effectivement pouvoir faire un rendez vous en moins de 6 ou 7 orbites, disons 10 pour se donner une marge.
Je m'étonne donc qu'aujourd'hui, avec les capacité informatique, de simulation, de calcul, et l'expérience acquise des RDV on ne soit pas capable de faire ça en moins de 2 jours, une trentaine d'orbite. Il aura fallut attendre 2012 pour que les russes tentent cette expérience du RDV rapide. Cela aurait du etre fait sur le dernier Progress mais ça a été repoussé à un autre vol.

un petit up pour que les spécialistes éclairent ma lanterne ... pourquoi doit on attendre 2j pour un rendez vous ?
Ai-je été clair dans mon explication précédente ?

Parfaitement clair.

La raison principale est que l'on souhaite disposer d'un peu de temps pour vérifier le vaisseau et préparer les manoeuvres.
Pour la navette il y avait une période de check-up et de mise en condition pour l'amarrage, surtout depuis la catastrophe de Columbia.
De plus, un RDV rapide est plus contraignant du point de vue de la fenêtre de lancement, et des "dispersions" générées lors du lancement.

Des rendez-vous rapide ont eu lieu à l'époque de Gemini, avec Agena. Je crois qu'un test à même eu lieu avec un RDV en une orbite ! Et pour mémoire les RDV LEM-CSM d'Apollo était très rapide aussi.

Ne serait ce pas un problème de fenêtre de tir?
Pour les navettes, les fenêtres étaient très restreintes et automatiquement reportables 24 heures plus tard mais avec un rendez vous rapide, les possibilités sont t'elles aussi nombreuses?

Merci Exocet pour cette info.

primus a écrit:Ne serait ce pas un problème de fenêtre de tir?
Pour les navettes, les fenêtres étaient très restreintes et automatiquement reportables 24 heures plus tard mais avec un rendez vous rapide, les possibilités sont t'elles aussi nombreuses?

Non, la fenetre actuelle de tir est déja très serrée, avec un RDV rapide le départ sera tout aussi serré. Il faut juste choisir le moment précis et si on le loupe ça peut reporter de pluseurs jours si on veut rester dans un RDV rapide.
La différence se fait surtout en orbite, il ne faut pas perdre de temps et engager rapidement la procédure pour les changements d'orbite, et surtout ne pas louper les créneaux.

Il me semble quand même que c'est une question de priorité. Est-ce que la priorité est de gagner 2 jours de trajet sur un trajet de 2 jours et quart? Ou est-ce que la priorité c'est de tout vérifier 50,000 fois histoire d'être absolument totalement completement sur que tout va bien et qu'on ne va pas percuter la station?

Si on envisage -dans un avenir plus ou moins lointain - d'envoyer des techniciens travailler sur un vaisseau interplanétaire, rejoindre une station-service etc ... un gain de deux jours ne serait pas anodin notamment si ces personnels ne sont pas des professionnels super-entrainés pour l'espace.(ils le seront bien sûr ... mais moins que des astronautes professionnels)
Il peut aussi y avoir besoin d'une rescousse rapide de ces "spécialistes" pour un pépin imprévu.

Et puis 2 jours de moins dans l'espace c'est aussi un gain énorme, moins de support vie (air, nourriture, eau), moins de risque d'avoir une collision avec un micro météorite ou un débris, moins de risque d'avoir uen panne technique.
On verra ce que donnera le vol de Progres M-16M car c'est lui qui va inaugurer le rendez vous immédiat, en quelques heures seulement.

Pour ATV en particulier, le délai est fait pour des raisons de sécurité. En dehors des vols habités, des rendez-vous ont déjà été fait beaucoup plus rapidement (quelques heures), mais dans le cas de MIR et de l'ISS, il y a toute une procédure d'approche avec à chaque fois des points fixes (station keeping) à garder et à valider. Pour reprendre l'exemple de Mustard, on n'approche pas du tout de l'ISS en réalité comme on le fait sur Orbiter, avec mise en correspondance des plans puis synchronisation des orbites. La méthode consiste plutôt à bien passer par tous les points+vitesse qui assurent l'intégrité de l'engin en cas de défaillance de l'engin d'approche, et assurent une possible attente stable en cas de défaillance d'un des 2 protagonistes du rendez-vous.

Space Opera a écrit:mais dans le cas de MIR et de l'ISS, il y a toute une procédure d'approche avec à chaque fois des points fixes (station keeping) à garder et à valider. Pour reprendre l'exemple de Mustard, on n'approche pas du tout de l'ISS en réalité comme on le fait sur Orbiter, avec mise en correspondance des plans puis synchronisation des orbites. La méthode consiste plutôt à bien passer par tous les points+vitesse qui assurent l'intégrité de l'engin en cas de défaillance de l'engin d'approche, et assurent une possible attente stable en cas de défaillance d'un des 2 protagonistes du rendez-vous.

La démonstration que je fais ci dessus est pour un rendez vous rapide. Ce n'est pas un descriptif de la procédure actuelle qui se fait effectivement par palier et étape.
A priori il y a effectivement des points dit de maintien ou d'attente "holding point" qui servent à contrôler l'engin à différente étape. C'est une procédure qui date depuis longtemps mais peut etre qu'avec l'expérience elle n'est plus aussi nécessaire et pourrait etre réduite. Certe le HTV et l'ATV sont récents et il faut être prudent mais avec des engins comme Progress qui ont prouvé leur fiabilité on doit pouvoir faire plus court.

Cela dit c'est surtout dans l'approche final (<50 km) que l'on pourrait faire tous les contrôles. On perd peut etre du temps (et du carburant) à faire toute sorte de test à différents paliers. Certe on n'est jamais trop prudent mais si jamais on détecte une anomalie, que ce soit à 1000km ou à 40km d'ISS ça ne change pas grande chose. Tant l'engin est sur la meme plan et altitude il ne bougera pas.
Plan actuel de l'ATV

Après, il peut y avoir un autre facteur : l'habitude. On a pris l'habitude de prendre son temps, on sait faire comme ça, et une approche plus rapide serait un nouvel apprentissage, avec tout ce que ça comporte de couts et de risques.

Je ne dis pas que c'est forcément pertinent, mais ça doit fatalement jouer.

Une petite question me vient à l'esprit :

On parle d'économie d'une approche rapide contrairement à ce qui se fait actuellement. Cela concerne le carburant, le support vie Etc. mais même dans l'hypothèse où une procédure rapide est décidée, ne prendrait-on pas les réserves nécessaires au cas où elle deviendrait impossible en court de mission? Dans ce cas le carburant est emporté, les vivres aussi, donc même caractéristiques au décollage, et tout ce qui est emporté n'est pas forcément utilisable dans d'autres phases de vol, donc de toute les façons perdu.

Suis-je clair?

Ai-je raison?

primus a écrit:Une petite question me vient à l'esprit :

On parle d'économie d'une approche rapide contrairement à ce qui se fait actuellement. Cela concerne le carburant, le support vie Etc. mais même dans l'hypothèse où une procédure rapide est décidée, ne prendrait-on pas les réserves nécessaires au cas où elle deviendrait impossible en court de mission? Dans ce cas le carburant est emporté, les vivres aussi, donc même caractéristiques au décollage, et tout ce qui est emporté n'est pas forcément utilisable dans d'autres phases de vol, donc de toute les façons perdu.
Suis-je clair?
Ai-je raison?

A mon sens cela peut etre utile pour des vols habités, pour une question de confort (enfermé à plusieurs dans une capsule minuscule c'est difficile) mais aussi pour des questions de sécurité, car moins on passe de temps en transit moins on a de risque d'avoir une panne, un impact avec un débris ou une micrométéorite, la nourriture et l'eau nécessaire est réduit, ce qui est un gain (minime certe) pour la charge utile. Pour le carburant et l'air j epense que les réserves doivent rester optimal pour pouvoir effectivement répondre à un problème éventuel.
Pour un ravitailleur, je pense qu'un RDV rapide est moins
indispensable mais là aussi on minimie le temps de fonctionnement, donc de panne et d'impact externe.

Beaucoup de problèmes sont à prendre en compte dans une phase de rendez-vous comme les périodes de repos des équipages, l'orientation par rapport au soleil lors du docking pour avoir un éclairement optimal, dispersions lanceur à l'injection, etc etc etc. D'autres contraintes existent: pour targeter précisément l'orbite, il faut avoir calibrer correctement les tuyères et avoir une détermination d'orbite précise. Ceci ne peut se faire qu'au travers de plusieurs poussées suivies de restitution d'orbite et restituer une orbite finement demande du temps et ne se fait pas sur un seul passage en visi station.
Après c'est juste un choix parmi les critères qu'on veut optimiser.
Dans le spatial, tout est une histoire de compromis. Généralement, plus on se laisse de temps pour faire les choses, moins ça coûte en ergols car on peut parfois jouer avec des forces pertubatrices pour en tirer partie (RAAN drift, etc).

Pour en revenir, au point 3 du 1er post, on ne choisit pas le phasage. Le plan de manoeuvre doit permettre de rattraper tout phasage compris entre 0 et 360° (pour éviter de complexifier les opérations, on ne va pas tout chambouler pour gagner 3 orbites).
On vise pour avoir le même RAAN que l'orbite cible car c'est ce qui coûte le plus cher en ergols et/ou en temps à corriger. Si on voulait combiner RAAN + phasage, il n'y aurait que quelques journées possibles or on ne peut pas se permettre de reporter de 5 jours un tir car on a loupé la fenêtre.