¿Cómo es posible que las naves espaciales se acoplen tan perfectamente a la ISS?

El uso de sensores y láseres parece obvio, pero ¿qué entra en el sistema que logra esto? ¿Qué implica el proceso? El ejemplo incluye el acoplamiento autónomo reciente de SpaceX a la ISS de Crew Dragon.

Hay muchos , muchos libros sobre este tema, e incluso más artículos en revistas técnicas revisadas por pares sobre este tema. Sin saberlo, nos has pedido que escribamos un libro.

Respuestas (4)

Los rusos han utilizado un sistema de acoplamiento conocido como Kurs durante bastante tiempo. Progress, Soyuz y el ATV (de la ESA, usando equipo de Rusia) se acoplan todo el tiempo en modo automatizado usando Kurs.

SpaceX desarrolló su propio hardware/software de acoplamiento/aproximación y lo probó inicialmente en una misión del transbordador antes (para pretender acoplarse junto con el transbordador) antes de usarlo en las cápsulas Dragon Cargo.

Lectura adicional en publicaciones que contienen "kurs": space.stackexchange.com/search?q=kurs

Una vez que se establece la línea de visión al puerto de atraque seleccionado, el Estándar del sistema de atraque internacional ( https://www.internationaldockingstandard.com/ ) en la sección 3.5 define tres objetivos visuales que se pueden usar para medir la orientación relativa entre la nave espacial y el puerto.

Hay 3 objetivos reflectores perimetrales (PRT) que son retrorreflectores que se pueden usar desde distancias más largas. Una vez más cerca, hay objetivos de acoplamiento periféricos (PDT) y un objetivo de acoplamiento de línea central (CDT). Actúan de manera similar a las miras de hierro de un arma de fuego.

Los objetivos se pueden ver en esta imagen del IDA-2 antes de la instalación en la ISS: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:IDA-2_upright.jpg .

Los PRT son las pequeñas características negras que sobresalen un poco del puerto, hay dos en la parte superior (uno está en una abrazadera azul) y hay uno a la derecha. El PDT está en la parte inferior derecha, puedes reconocer los círculos que sobresalen. El CDT está fijo en el lienzo detrás del IDA, está parcialmente oscurecido en esta imagen.

Editado para agregar: Si bien no he encontrado información definitiva sobre Crew Dragon, en STS-127, STS-129 y STS-133 SpaceX probó el sistema DragonEye LIDAR que fue diseñado para la antigua cápsula Dragon para ubicar los retrorreflectores en el estación. Para acercarse más, hay una cámara en el centro del puerto de atraque de Crew Dragons, justo enfrente del CDT en la estación.

Puedes ver imágenes de la cámara en el video oficial de la NASA a las 27:02:

Esta es una buena discusión de los objetivos. Con algo de información adicional sobre qué sensores se utilizan con los objetivos, podría ser una gran respuesta a la pregunta.
@OrganicMarble ok, agregué información sobre DragonEye LIDAR y la cámara central.
¡Buena cosa! Hay información sobre Dragoneye aquí nasa.gov/pdf/358018main_sts127_press_kit.pdf

En realidad es bastante simple. Una nave espacial realmente tiene el modelo más simple de dinámica y control: tiene un control independiente de los 6 grados de libertad y todos son perfectamente lineales y newtonianos, y casi no tiene perturbaciones ni interferencias. Comparativamente, los automóviles, los aviones y los helicópteros son mucho más complicados (cada vez se acoplan más grados de libertad y el entorno podría molestarlo gravemente).

controlador PID

Básicamente,

P) cuanto más lejos, más fuerte empujas (deja de empujar cuando hayas alcanzado el objetivo)

I) Empuje gradualmente más y más fuerte, cuando esté lejos, pero tenga cuidado de no pasarse (reduzca gradualmente la fuerza o empuje hacia atrás cuando esté cerca)

D) Cuida tu velocidad.

Los astronautas humanos básicamente hacen lo mismo en modo manual: así

El movimiento relativo en la órbita terrestre baja, que es la ISS, se aproxima bien mediante las ecuaciones de Clohessy-Wiltshire, que no son lineales. en.wikipedia.org/wiki/Clohessy%E2%80%93Wiltshire_ecuaciones
@ErinAnne: su comentario es incorrecto de varias maneras. Uno, las ecuaciones de CW son lineales. Son una linealización de las dinámicas subyacentes que, de hecho, no son lineales. Dos, usar una linealización de la dinámica no lineal subyacente es una práctica muy común en la teoría de control. Tres, la linealización no dice cómo controlar el movimiento de la nave espacial. Eso es lo que hace la teoría del control. (continuado)
Dicho esto, las naves espaciales normalmente no utilizan el control PID para el acoplamiento porque los propulsores vernier utilizados para el acoplamiento están activados o desactivados en lugar de regulables, apuntan en direcciones fijas y, por lo general, hay mucho acoplamiento cruzado entre la actitud y la traducción en términos de cómo los propulsores afectan el movimiento del vehículo.
@user3528438 - El acoplamiento de la nave espacial no utiliza el control PID. Para empezar, es posible que desee buscar en Google (1) "lógica de selección de chorro de nave espacial", (2) "control de plano de fase", (3) "control H-infinito", (4) "control gaussiano lineal-cuadrático".
La traducción de las entradas del controlador manual a los comandos del jet no es trivial e imperfecta. Si vio el acoplamiento de SpaceX Demo-2, hubo un punto en el que los astronautas pusieron el vehículo en modo de control manual. Los astronautas notaron que el control en Y era un poco descuidado, pero esperaban ese descuido porque eso es exactamente lo que mostraron las simulaciones. Si las naves espaciales fueran vacas perfectamente esféricas, habría seis conjuntos de cinco propulsores (o, por redundancia, seis conjuntos de quince propulsores) para proporcionar un control de traslación y rotación desacoplados en cada dirección principal.
Pero las naves espaciales no son vacas esféricas, y existen limitaciones en las direcciones en las que se pueden orientar los propulsores. El control perfecto es un ideal imposible, y 90 propulsores es una cantidad ridícula de propulsores. Esto significa que siempre habrá algunas direcciones en las que el control sea un poco descuidado.
@DavidHammen tienes razón; algún día aprenderé a no comentar a altas horas de la noche.

Todo lo anterior es cierto, pero es más difícil de lo que parece. Infórmese sobre Gemini 4. Durante esa misión, los astronautas intentaron volar hacia el propulsor Titán gastado como un paso hacia la cita. Fue un desastre. Nada funcionó como se esperaba.

La mecánica orbital es bastante contraria a la intuición. Tu altitud determina tu velocidad, por lo que en algún momento acelerar significa vectorizar hacia abajo, etc. Lo descubrieron al final de Géminis.

Entonces, los astronautas le dicen a la nave que vaya "por ese camino" y las computadoras disparan propulsores en una variedad de direcciones para que ocurra "por ese lado".