DE3887112T2

DE3887112T2 - Gerät und Verfahren zum Andocken eines Raumfahrzeuges.

Info

Publication number: DE3887112T2
Application number: DE3887112T
Authority: DE
Inventors: Maxime A Faget; Caldwell C Johnson
Original assignee: Space Ind Inc
Current assignee: Space Ind Inc
Priority date: 1987-11-27
Filing date: 1988-11-25
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2008-11-26
Also published as: JP2759180B2; EP0319212A2; EP0319212B1; ATE100036T1; JPH01172100A; DE3887112D1; EP0319212A3; US4903919A; CA1320707C

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft allgemein ein Andockgerät und -Verfahren für ein Raumfahrzeug und befaßt sich insbesondere mit einem Andockgerät und -Verfahren, wodurch ermöglicht ist, daß zwei Raumfahrzeuge auf solche Weise angedockt werden, daß das erste Raumfahrzeug gegenüber dem zweiten Raumfahrzeug abgekantet ist, so daß eine mechanische Interferenz zwischen den zwei Raumfahrzeugen verhindert ist.
Verschiedene Arten von Geräten sind bereits vorgeschlagen worden, um eine vorübergehende oder permanente mechanische Verbindung zwischen zwei Raumfahrzeugen hervorzurufen. Ein solches Gerät bietet eine praktische Einrichtung zum Zusammenbau eines Raumfahrzeugs, für die logistische Unterstützung und das Umsteigen von Besatzungsmitgliedern, während eine Druckumgebung aufrecht erhalten wird, und zur gegenseitigen Halterung von zwei Raumschiffen durch Teilen ihrer individuellen Möglichkeiten und Fähigkeiten.
In der normalen Konstruktion hat ein Raumfahrzeug üblicherweise keine Einrichtung zum Andocken an einem anderen Raumfahrzeug. Beispielsweise enthielt das Raumtransportsystem (auch als Spaceshuttle Orbiter bezeichnet), welches von den Vereinigten Staaten durch die National Aeronautics and Space Administration (NASA) entwickelt wurde, anfänglich Pläne für Andockadapter, die einzubauen waren, wenn sie in der Nutzlastabteilung des Shuttle- Fahrzeugs benötigt wurden, um eine mechanische Einrichtung zum Andocken an einem anderen Raumfahrzeug und einen Überdruckdurchgang für das Umsteigen der Besatzung zu bilden. Der geplante Andockadapter sollte eine druckdichte Tür enthalten, die an der Auslaßtür an der Rückseite der Shuttlefahrzeugkabine zu befestigen war, und eine weitere Tür, um eine bauliche und druckdichte Verbindung mit einem ähnlichen Mechanismus an dem zweiten Raumfahrzeug herzustellen. Der Andockadapter sollte eine konstruktive Unterstützung derselben Art haben, wie sie für Nutzlasten verwendet wird, die in der Nutzlastabteilung angeordnet werden, sowie eine zusätzliche Ausgangstür in die Nutzlastabteilung. Vor dem Andocken sollte der Andockadapter vertikal aus seiner verstauten Position unter den Nutzlastabteilungstüren zu einem Punkt über der Oberseite der Shuttlefahrzeugkabine ausgefahren werden, um einen Zwischenraum zwischen dem Shuttlefahrzeug und dem Andockraumschiff zu schaffen. An dem Ende der Andockzeit und nachdem das Raumfahrzeug freigegeben ist, sollte der Mechanismus in die verstaute Position zurückgezogen werden, damit die Tür der Nutzlastabteilung geschlossen werden kann. Der Ausfahr- und Rückziehmechanismus wurde jedoch als unerwünschte Verpflichtung betrachtet, da er schwierig und teuer zu entwickeln war. Es bestand die Gefahr, daß ein Fehler des Adapters beim Rückziehen das Schließen der Nutzlastabteilungstüren verhindern könnte und damit die Rückkehr des Shuttlefahrzeugs zur Erde unmöglich machen würde. Aus verschiedenen Gründen wurden die Pläne für einen zurückziehbaren Andockadapter von der Nasa niemals realisiert.
Demnach ist ein Bedarf entstanden nach einem sicheren und zuverlässigen Andockgerät, welches Andockvorgänge zwischen zwei Raumschiffen ermöglicht. Solche Vorgänge enthalten einen Durchgang der Besatzungsmitglieder zwischen dem Raumschiff für die Besatzung betreffende Vorgänge und logistische Unterstützung, den Zusammenbau oder die konstruktive Ausdehnung des Raumschiffs, das Hinzufügen oder Austauschen von Modulen, die erweiterbare Vorrät enthalten und Ausrüstungen, die für Weltraumexperimente und Herstellungsprozesse erforderlich sind, und für die Weltraumreparatur und Wartung des Raumschiffs. In der Zukunft erfordern große, frei fliegende Raumschiffe Montage und Ersatz in der Umlaufbahn, wie die vorgeschlagene NASA-Weltraumstation, wobei es erforderlich sein wird, daß die obigen Vorgänge durch ein Raumfahrzeug und eine Besatzung auf einer häufigen Basis erfolgen. Da diese Vorgänge durch Besatzungsmitglieder ausgeführt werden, die sich zwischen zwei Raumschiffen bewegen, kann dies am besten in einer sogenannten Shirt-Sleeve-Umgebung, d. h. in einer unter Druck gesetzten, erdähnlichen Umgebung erfolgen, die einen unbegrenzten Durchgang der Besatzung zwischen den Raumfahrzeugen ermöglicht, ohne daß Druckanzüge verwendet werden müssen.
Um für die obigen Vorgänge verwendbar zu sein, sollte das Andockgerät eine Anzahl von Aufgabe erfüllen. Eine Aufgabe besteht darin, daß das Andockgerät an der Luftdruckkammer eines Nutzlast tragenden Raumfahrzeugs, wie einer NASA-Space-Shuttle befestigt werden kann und daß es den unbeschränkten Zugang zu der Nutzlastabteilung des Fahrzeugs ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, daß das Andockgerät die Aufbewahrung von Geräten, Vorräten und anderen Gegenständen ermöglicht, die für Flugoperationen erforderlich sind, und daß der Durchgang mit dem Andockgerät den manuellen Transport solcher Ausrüstungen und Vorräte durch Besatzungsmitglieder ermöglicht, die hindurchgehen. Ein weiteres Ziel besteht darin, daß das gesamte Gerät in der Lage ist, in der Nutzlastabteilung getragen zu werden und während des Abschusses und des Wiedereintritts vollständig von den Nutzlastabteilungstüren eingeschlossen sein muß. Das Gerät muß aber eine Raumschiffandockberührungsfläche haben, die einen minimalen Zwischenraum zwischen den Nichtandockstrukturen der zwei Raumschiffen an ihren nächsten Punkten aufrecht erhält. Ein weiteres Problem besteht darin, daß das Andockgerät das Verschließen der Nutzlastabteilungstüren nicht gefährden darf, da ein solches Schließen wesentlich für den Rückflug des Raumfahrzeugs ist. Zurückziehbare Andockgeräte derart, die früher vorgeschlagen wurden, erfüllen dieses Erfordernis nicht, da ein Fehler des Gerätes beim Zurückziehen das Schließen der Nutzlastabteilungstüren verhindern würde und damit den Wiedereintritt unmöglichen machen würde.
Zusätzlich zu den obigen Zielen ist es wünschenswert, daß das Andockgerät eine Last tragende Konstruktion hat, die zur strukturellen Befestigung an einer Nutzlasthaltevorrichtung des Raumfahrzeugs, in dem es getragen wird, geeignet ist. Diese Aufgabe ist dreifach.
1. wird das Andockgerät typischerweise von dem Raumfahrzeug in die Umlaufbahn getragen und sollte daher mit den existierenden Fahrzeugnutzlasthaltevorrichtungen kompatibel sein.
2. Sollte des Andockgerät durch seine Konstruktion ein angedocktes Raumschiffarretieren und die Trägheitskraft dieses Raumfahrzeugs auf das Nutzlasthaltegerät übertragen.
3. Sollte ein Hauptteil des Andockgerätes von dem Raumfahrzeug lösbar sein. Dies ist wichtig in Fällen, in denen das Andockgerät von dem Raumfahrzeug getrennt werden muß und an dem angedockten Raumfahrzeug verbleibt, um die Gewichtsbelastung bei den nachfolgenden Raumfahrzeugflügen zu reduzieren oder eine Not- Trennung des Andockgerätes von dem Raumfahrzeug zu bewirken. Wenn diese strukturellen Ziele nicht erfüllt sind, kann das Andockgerät nicht sicher in und aus der Umlaufbahn transportiert werden.
Es ist außerdem wünschenswert, eine Durchgangsbahn zu einer mehr befestigten Nutzlast in der Nutzlastabteilung durch einen Tunnel vorzusehen, der sich von der Nutzlast zu dem Andockgerät erstreckt. Eine befestigte Nutzlast wie die Spacelab-Nutzlast, die gemeinsam von NASA und der European Space Agency (ESA) entwickelt wurde, kann Shirt-Sleeve-Bedingungen tragen, wenn sie mit der Kabine des Shuttle-Fahrzeugs durch einen solchen Tunnel verbunden ist. Somit besteht ein Bedarf nach einem Andockgerät, das mit einem solchen Tunnel verbunden werden kann, um eine unter Druck stehende Durchgangsbahn zu der befestigten Nutzlast auszudehnen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Andockgerät vor, das die Nachteile der früher vorgeschlagenen Konstruktionen beseitigt, insbesondere diejenigen von Andockadaptern, die zum Ausfahren und Zurückziehen aus der Nutzlastabteilung eines Raumfahrzeugs konstruiert sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Raumfahrzeug vorgesehen mit einer Besatzungskabine, einer Nutzlastabteilung, einer Trennwand zwischen der Besatzungskabine und der Nutzlastabteilung, einer Tür in der Trennwand, die den Besatzungsdurchgang zwischen der Besatzungskabine und der Nutzlastabteilung ermöglicht, wenigstens eine Nutzlastabteilungstür, die zwischen der Nutzlastabteilung und dem Äußeren des Raumfahrzeugs angeordnet ist, und ein Andockgerät, das von dem Raumfahrzeug getragen wird, um das Raumfahrzeug mit einem zweiten Raumfahrzeug zu verbinden, wobei das Andockgerät umfaßt:
einen starren Druckbehälter mit ersten und zweiten Öffnungen und einem inneren Gang zwischen diesen, wobei die erste Öffnung mit der Trennwandöffnung in Verbindung steht, und eine Andockberührungfläche, die mit der zweiten Berührungsöffnung verbunden ist, um das Andockgerät mit dem zweiten Raumfahrzeug zu koppeln, dadurch gekennzeichnet, daß
die ersten und die zweiten Öffnungen in festen Positionen relativ zueinander stehen und
die Andockberührungsfläche an dem Druckbehälter auf eine Weise positioniert ist, daß das zweite Raumfahrzeug eine abgekantete Position bezüglich des ersten Raumfahrzeugs beim Koppeln mit der Andockberührungsfläche einnimmt, so daß ein Abschnitt des zweiten Raumfahrzeugs sich in die offene Nutzlastabteilung des ersten Raumfahrzeugs erstreckt, und wobei die Abmessungen des Andockgeräts so sind, daß das Andockgerät zu allen Zeiten vollständig innerhalb der Nutzlastabteilung des ersten Raumfahrzeugs eingeschlossen ist.
Auf diese Weise sind zurückziehbare oder faltbare Konstruktionen vermieden und die Sicherheit des Andockvorgangs ist erheblich vergrößert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Andockgerät ferner eine Tunnelberührungsflächenöffnung haben, die mit dem Inneren des Druckbehälters in Verbindung steht. Die Tunnelberührungsflächenöffnung ermöglicht es, daß das Andockgerät mittels eines geeigneten Tunnels mit einer bewohnbaren Nutzlast gekoppelt wird, die in der Nutzlastabteilung des ersten Raumfahrzeugs befördert wird. Wenn der Nutzlasttunnel nicht erforderlich ist, kann ein Vorratsbehälter mit der Tunnelberührungsflächenöffnung gekoppelt werden, um Ausrüstung und Vorräte aufzunehmen. Das Andockgerät kann ferner eine Austrittsöffnung haben, die das Innere des Druckbehälters und die Nutzlastabteilung des ersten Raumfahrzeugs verbindet, um es zu ermöglichen, daß die Besatzung direkt Zugang zu der Nutzlastabteilung hat. Das Andockgerät ist vorzugsweise so gestaltet, daß es durch das existierende Nutzlasthaltesystem des ersten Raumfahrzeugs befestigt werden kann, und enthält vorzugsweise eine Tragkonstruktion, die ebenfalls dazu dient, einen oder mehrere Vorratstanks zum Wiederherstellen des Raumfahrzeugs zu tragen.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Andocken eines ersten und eines zweiten Raumfahrzeugs gerichtet, wobei das erste Raumfahrzeug eine Besatzungskabine, eine Nutzlastabteilung, eine Trennwand zwischen der Besatzungskabine und der Nutzlastabteilung, eine Öffnung in der Trennwand, die den Durchgang der Besatzung zwischen der Besatzungskabine und der Nutzlastabteilung ermöglicht, wenigstens eine Nutzlastabteilungtüröffnung von der Nutzlastabteilung zu der Außenseite des Raumfahrzeugs und ein Andockgerät enthält, welches in der Nutzlastabteilung des ersten Raumfahrzeugs untergebracht ist und an einem Ende an der Trennwandöffnung des ersten Raumfahrzeugs befestigt ist und mit dem anderen Ende an einer Andocköffnung des zweiten Raumfahrzeugs befestigbar ist. Das Verfahren enthält die Schritte: das erste und das zweite Raumfahrzeug werden in eine enge Nähe gebracht, das Andockgerät wird durch Öffnen der Nutzlastabteilungstür des ersten Raumfahrzeugs aufgedeckt, wenigstens eines der beiden Raumfahrzeuge wird auf eine Position manövriert, daß das zweite Raumfahrzeug eine schräg gestellte, bzw. geneigte Position bezüglich des ersten Raumfahrzeugs einnimmt, wobei sich ein Abschnitt des zweiten Raumfahrzeugs in die offene Nutzlastabteilung des ersten Raumfahrzeugs erstreckt, und Koppeln der Andocköffnung des zweiten Raumfahrzeugs mit dem Andockgerät, um das zweite Raumfahrzeug in der gekanteten oder gekippten Position zu halten. Vorzugsweise enthält das erste Raumfahrzeug einen Fernmanipulatorarm, und die Schritte des Manövrierens wenigstens eines der beiden Raumfahrzeuge und des Koppelns der Öffnung des zweiten Raumfahrzeugs mit dem Andockgerät werden unter Verwendung des Fernmanipulatorarms ausgeführt. Das Verfahren kann auch ausgeführt werden, indem das Andockgerät anfänglich an dem zweiten Raumfahrzeug anstatt an dem ersten Raumfahrzeug befestigt wird, und indem eine wandernde Greifbefestigung an dem zweiten Raumfahrzeug vorgesehen ist, um das Andockmanöver zu unterstützen.
Die verschiedenen Gegenstände, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden klarer aus der folgenden detaillierter Beschreibung verständlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine weggeschnittene Ansicht eines bemannten Raumfahrzeugs, das mit einem Andockgerät gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist, dargestellt zu Beginn des Andockens mit einer von Menschen bedienten Raumplattform;
Fig. 2 eine weggeschnittene Ansicht ähnlich gemäß Fig. 1, die das Raumfahrzeug vollständig an die Raumplattform angedockt und außerdem einen Nutzlasttunnel zeigt, der mit dem Andockgerät verbunden ist;
Fig. 3 + 4 sind teilweise weggeschnittene Ansichten, die alternative Andockmanöver zeigen, bei denen das Andockgerät 20 von der Raumplattform anstatt von dem Raumfahrzeug getragen ist;
Fig. 5 ist eine detaillierte Seitenansicht des Andockgeräts und der benachbarten Teile des Raumfahrzeugs und der Raumplattform;
Fig. 6 eine Seitenansicht ähnlich Fig. 5, wobei das Andockgerät im Querschnitt gezeigt ist, und
Fig. 7 eine Endansicht des Andockgeräts, von der rechten Seite in Fig. 5 gesehen, wobei die Raumplattform zur Klarheit weggelassen ist.
In den Zeichnungen sind für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 und 2 zeigt ein Andockmanöver zwischen zwei Raumfahrzeugen 10 und 12 unter Verwendung eines Andockgerätes 20, das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. In der dargestellten Ausführungsform ist das erste Raumfahrzeug 10 ein bemanntes Nutzlast tragendes Raumfahrzeug wie das NASA Space Shuttle Orbiter, und das zweite Raumfahrzeug 12 ist eine von Menschen bediente Raumplattform, die periodisch durch das Shuttle-Fahrzeug wiederhergestellt wir. Das Andockgerät 20 enthält einen starren, hohlen Druckbehälter 22 mit einer ersten Andock- Öffnung 24, die mit dem Inneren des Raumfahrzeugs 10 in Verbindung steht, und einer zweiten Andocköffnung 28, die mit dem Inneren der Raumplattform 12 in Verbindung steht. Ein Durchgang ist dadurch zwischen den Inneren der zwei Raumfahrzeuge hergestellt. Das Andockgerät bildet auch eine Last tragende mechanische Verbindung zwischen den zwei Raumfahrzeugen, während sie angedockt sind.
Das Raumfahrzeug 10 hat eine unter Druck stehende Besatzungskabine 30, die eine Shirt-Sleeve-Umgebung bildet, in der die Besatzung den Hauptteil der Flugsteuerung und missionsspezifischen Vorgänge ausführt. Eine Nutzlastabteilung 32 befindet sich hinter der Kabine 30 zur Aufnahme einer Nutzlast 34 (in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt). Eine hintere Kabinentrennwand 36 befindet sich zwischen der Kabine 30 und der Nutzlastabteilung 32. Nutzlasten können in der Nutzlastabteilung 32 über die Dauer einer Mission bleiben, wie dies bei einer befestigten Nutzlast 38 beispielsweise in dem NASA-ESA-Spacelab (dargestellt in Fig. 2) der Fall ist, oder von einem Fernmaniplatorsystem (RMS) 40 betätigt werden, welches von dem Raumfahrzeug 10 getragen wird. Eine Luftdruckkammer (nicht dargestellt) an der Kabinenseite der hinteren Kabinentrennwandöffnung 42 hält die Integrität der unter Druck stehenden Kabinenumgebung aufrecht. Die Nutzlastabteilung 32 ist von zwei langgestreckten Nutzlastabteilungstüren 44 eingeschlossen, um die Nutzlast während des Starts und des Wiedereintritts zu schützen.
Die Raumplattform 12 kann von beliebiger Art sein, jedoch enthält sie in der bevorzugten Ausführungsform eine von Menschen bediente Einrichtung, die zum Tragen und Halten industrieller oder Forschungsnutzlasten verwendet wird. Beispielsweise können die Nutzlasten dazu geeignet sein, Materialbearbeitungsvorgänge, neue Produktentwicklungen oder wissenschaftliche Untersuchungen auszuführen. Die Raumplattform 12 kann als Weltraumfabrik ausgebildet sein, um eine oder mehrere dieser Prozesse automatisch oder mit menschlicher Überwachung auszuführen. Die Raumplattform 12 trägt auch die erforderliche Ausrüstung, um ihre Nutzlasten wie Fluidtanks, Pumpen, Batterien, Kraftbearbeitungsausrüstung, Wärmetauscher usw. zu halten. Die Raumplattform 12 ist nicht permanent bemannt, sondern enthält eine Druckerzeugungsausrichtung, die geeignet für Shirt-Sleeve-Operationen ist, wenn sie an das Raumfahrzeug 10 angedockt ist.
Die Raumplattform 12 kann in einer nahen, kreisförmigen Erdumlaufbahn mittels eines einzigen Abschusses der NASA Space Shuttle gebracht werden. Zu diesem Zweck besteht die Raumplattform 12 aus einer Anzahl verbundener Module 45, 47, die so dimensioniert sind, daß sie in die Nutzlastabteilung 32 des Raumfahrzeugs 10 passen. Die Module sind mit Greifbefestigungen 46 versehen, die von dem Fernmanipulatorsystem (RMS) 40 ergriffen werden können, um eine orbitale Anordnung und Wiedergewinnung zu ermöglichen. Eine Andocköffnung 48 befindet sich an der Raumplattform 12 und kann in Eingriff mit der Andocköffnung 28 des Andockgeräts 20 geraten, welches in der Nutzlastabteilung 32 des Raumfahrzeugs 10 befördert wird.
Die Raumplattform 12 und ihre Materialbearbeitungsausrüstung werden in automatisierten Betrieb versetzt, bevor sie in der Umlaufbahn von der Besatzung des Raumfahrzeugs 10 zurückgelassen wird. Das Raumfahrzeug 10 kehrt zurück, wenn es nötig ist, die Plattformnutzlasten und die Betriebserfordernisse der Plattform wieder herzustellen, und um die hergestellten Produkte auf zunehme. Während dieser Besuche besetzt die Raumfahrzeugbesatzung vorübergehend die Raumplattform 12, wird jedoch prinzipiell von dem Raumfahrzeug 10 unterstützt.
Die Raumplattform 12 ist so konstruiert, daß sie eine modulare Expansion ermöglicht, in dem Module in einer Seite-an-Seite- Anordnung hinzugefügt werden. Dies wird durch Verwendung des Raumfahrzeugs RMS 40 erreicht, um eine Raumplattform 12 zu ergreifen, die sich bereits in der Umlaufbahn befindet, und in dem dann die ergriffene Plattform mit einem zusätzlichen Modul gekoppelt wird, welches in der Nutzlastabteilung 32 befördert wird. Die Verwendung von zwei oder mehr gekoppelten Modulen erlaubt eine Multiplikation der Möglichkeit zur Materialbearbeitung. Das Andocken zwischen dem Raumfahrzeug 10 und der Raumplattform 12 ist wichtig für den anfänglichen Aufbau der Raumplattform 12 und ihre nachfolgende Wiederherstellung und Vergrößerung. Weitere Details bezüglich der bevorzugten Ausführungsform der Raumplattform 12 können in unserer anhängigen EP- Patentanmeldung Nr. 86301554.8 mit dem Titel "Space Craft Operable in Two Alternative Flight Notes", in der anhängigen EP- Patentanmeldung Nr. 86301555.8 mit dem Titel "Modular Space Craft System" und in der anhängigen EP-Patentanmeldung Nr. 86301556.6 mit dem Titel "Space Craft with Articulated Solar Array and Method for Array Deployment" gefunden werden, wobei diese Anmeldungen alle ausdrücklich durch Bezugnahme hier eingeschlossen sind.
Die Beziehung zwischen dem Fahrzeug 10 und der Raumplattform 12 unmittelbar vor dem Andocken ist in Fig. 1 dargestellt. Die Raumplattform 12 ist von dem RMS 40 ergriffen und in Kontakt mit dem Andockgerät 20 gebracht. Spezieller gesagt ergreift das RMS 40 ein Greifbefestigung 42 an der Raumplattform 12 und bewegt die Raumplattform 12 so, daß die Andocköffnung 48 in Kontakt mit der Andocköffnung 28 des Andockgerätes 20 zur Befestigung daran gerät. Eine der verschiedenen Techniken zum Passendmachen der Andocköffnungen 28 und 48 besteht darin, den Winkel A zwischen der Mittelachse 50 der Andocköffnung 48 und der Mittelachse 52 der Andocköffnung 28 auf Null zu reduzieren, wenn die zwei Andocköffnungen verbunden werden. Bei der Beendigung des Andokkens ist die Raumplattform 12 vollständig passend zu dem Andockgerät 20 und damit zu dem Raumfahrzeug 10, wie Fig. 2 zeigt. In dieser Konfiguration kann die Raumplattform 12 wieder versorgt oder bedient werden, oder zusätzliche Module, die in der Nutzlastabteilung 32 des Raumfahrzeugs 10 transportiert sind, können der Plattform hinzugefügt werden.
Auf gleiche Weise kann ein Plattformmodul, das von dem Raumfahrzeug 10 als Nutzlast in der Nutzlastabteilung 22 befördert ist, von dem RMS 40 auf die Andockberührungsfläche 28 als Teil des anfänglichen Aufbauvorgangs angehoben werden. Wenn das Modul auf diese Weise angedockt ist, kann es von der Raumfahrzeugbesatzung durch das Andockgerät 20 betreten werden, so daß das Modul zur Freigabe in die Umlaufbahn vorbereitet werden kann. Die Handhabung des Moduls wird von dem RMS 40 auf die bereits diskutierte Weise bewerkstelligt.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann der Druckbehälter 22 eine Tunnelberührungsflächenöffnung 46 haben, die zur Verbindung mit einem Tunnel 58 geeignet ist. Der Tunnel 58 steht mit der befestigten Nutzlast 38 in Verbindung, die in der Nutzlastabteilung 32 des Raumfahrzeugs 10 transportiert wird. Wenn die Tunnelberührungsflächenöffnung 56 an dem Tunnel 58 befestigt ist, ist ein Durchgang zwischen dem Inneren des Andockgeräts 20 und dem Inneren der befestigen Nutzlast 38 hergestellt. So ein Durchgang ermöglicht es der Besatzung, von der Kabine 30 durch das Andockgerät 20 und den Tunnel 58 zu der befestigen Nutzlast 38 zu wandern, um eine Vielzahl von Arbeitsgängen darin auszuführen.
Eine nach rückwärts weisende Austrittsöffnung 62 befindet sich in dem Andockgerät 20 oberhalb der Tunnelinterfaceöffnung 56 und erlaubt eine Besatzungsbewegung zwischen dem Andockgerät 20 und der Nutzlastabteilung 32. Die Austrittsöffnung 62 befindet sich innerhalb des Volumens, welches von den Nutzlastabteilungstüren 44 eingeschlossen ist, so daß ein Besatzungsmitglied, das einen Druckanzug trägt, von dem Andockgerät 20 durch die Auslaßöffnung 62 in die Nutzlastabteilung 32 wandern kann, während die Nutzlastabteilungstüren 44 geschlossen sind. Somit ersetzt diese Öffnung funktionell die hintere Kabinentrennwandöffnung 42 des Raumfahrzeugs 10. Ein Besatzungsmitglied kann auf gleiche Weise außer-Fahrzeug-Aktivitäten (EVA) ausführen, indem es zuerst die Austrittsöffnung 62 und dann die Nutzlastabteilungsöffnung passiert.
Aus Fig. 2 ist zu sehen, daß die orthogonalen Achsen X1, Y2, Zy der Raumplattform 12 geneigt oder gedreht bezüglich den orthogonalen Achsen X0, Y0 und Z0 des Raumfahrzeugs 10 sind. Dies resultiert aus dem Umstand, daß die Andocköffnung 24 und 28 des Andockgeräts 20 in Ebenen liegen, die einen schiefen Winkel zueinander bilden. Die gekantete oder geneigte Beziehung zwischen den zwei angedockten Raumfahrzeugen gewährleistet, daß der erforderliche Zwischenraum zwischen der Oberseite der Raumfahrzeugkabine 30 und den angrenzenden Flächen der Raumplattform 12 aufrecht erhalten wird. Gleichzeitig erstreckt sich jedoch das oberste Ende des Andockgeräts 20 nicht über den Raum hinaus, der von den Nutzlastabteilungstüren 53 umschließbar ist. Somit kann das Andockgerät 20 vollständig in die Nutzlastabteilung 32 des Raumfahrzeugs 10 eingeschlossen werden ohne das Erfordernis einer Teleskopkonstruktion oder einer anderen Art eines bewegbaren oder zusammenfaltbaren Mechanismus.
Um einen sehr hohen Sicherheitsspielraum, der für Andockoperationen erforderlich ist, zu erhalten, ist es wünschenswert, die Möglichkeit einer RMS-Fehlfunktion zu umgehen, die als Verbindungsdurchgehen bekannt ist. Diese zur Beschädigung führende Fehlfunktion tritt bekanntlich auf, wenn einer der mehreren Motorantriebe, die das RMS 40 antreiben, irrtümlicherweise durch eine Fehlsteuerung voll rotiert. Ein Beispiel eines Verbindungsdurchgehens, bei dem eine Raumplattform 12 durch ein aktives RMS 40 manipuliert wird, kann ausreichen, um die Raumplattform 12 oder das befestigte Andockgerät 20 gegen das Raumfahrzeug 10 zu treiben, wodurch eine oder mehrere dieser Konstruktionen beschädigt werden kann.
Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei mögliche Methoden zum Andocken der Raumplattform 12 an dem Raumfahrzeug 10, wenn das Andockgerät 20 von der Raumplattform 12 anstatt von dem Raumfahrzeug 10 getragen wird. In Fig. 3 ergreift das RMS 40 eine Raumplattform 12 und zieht diese so zurück, daß die Ebene der Andocköffnung 24 des Andockgeräts 20 sich der Ebene der hinteren Kabinentrennwandöffnung 42 des Raumfahrzeugs 10 entlang einer vertikalen Bahn 64 nähert, die etwa parallel zu der hinteren Kabinentrennwand 36 verläuft. Spezieller gesagt, manövriert das RMS 40 die Plattform 12 in eine Position, in der die Greifbefestigung 46 vertikal über der Schulterverbindung des RMS 40 liegt. Alle Verbindungen bis auf eine in dem RMS 40 werden stationär gehalten, und die restliche Verbindung bzw. das restliche Gelenk wird nur entlang ihrer Neigungsachse betätigt. Dieses Manöver verhindert die Möglichkeit eines "Verbindungsdurchgehens" in den Drehrichtungen, die eine Kollision verursachen würden, und bietet damit einen größeren Sicherheitsspielraum.
Fig. 4 zeigt ein Andockmanöver, bei dem das RMS 40 die Raumplattform 12 auf solche Weise manövriert, daß die Ebene der Andocköffnung 24 sich der Ebene der hinteren Kabinentrennwandöffnung 42 entlang einer Bahn 64 nähert, die gewinkelt oder geneigt gegenüber der Ebene der hinteren Kabinentrennwand 36 verläuft. Ein solches Manöver, welches komplexer ist als das vorstehend beschriebene, kann eine zur Beschädigung führende Kollision des Druckbehälters 22 mit der hinteren Kabinentrennwand 36 verursachen. Dieses Manöver wird weniger kritisch durch das Vorhandensein einer Schutzkonstruktion 66 an dem Umfang der hinteren Kabinentrennwandöffnung 42.
Bauliche Einzelheiten des Andockgerätes 20 sind in den Fig. 5 bis 7 gezeigt. Der Druckbehälter 22 hat eine allgemein rohrförmige Struktur und besteht aus geschweißtem Aluminium oder einem anderen geeigneten Material, und hat einen inneren Durchgang 72. In der dargestellten Ausführungsform enthält der Druckbehälter drei hohle zylindrische Abschnitte 71, 73 und 75, die in schrägen Winkeln zusammengefügt sind, wie dargestellt ist. Die Seite des Druckbehälters 22, die der Kabine 30 des Raumfahrzeugs 10 zugewandt ist, ist mit einer Andocköffnung 24 versehen, die eine Balgverbindung 74 enthält, wie dargestellt ist. Die gegenüberliegende oder hintere Fläche des Druckbehälters 22 ist mit einer Tunnelberührungsfläche 56 versehen, die ebenfalls einen Balgadapter 76 enthält, der mit einem möglichen Nutzlasttunnel 58 verbunden werden kann, wie weiter oben in Verbindung mit Fig. 2 erwähnt ist. Ein Vorratskanister 79, der strichpunktiert dargestellt ist, kann an der Tunnelberührungsflächenöffnung 56 anstelle des Tunnel 58 positioniert werden. Das offene Ende des Kanisters 80 steht durch die Tunnelberührungsfläche 56 mit dem Inneren des Druckkessels 22 in Verbindung, um eine Vielzahl von Ausrüstungen oder Vorräten zur Lagerung auf zunehmen. Eine druckdichte Klappe 77 befindet sich innerhalb der Tunnelberührungsflächenöffnung 56, um den Überdruck in dem Andockgerät 20 aufrecht zu erhalten, wenn weder der Nutzlasttunnel 58 noch der Kanister 79 vorhanden sind.
An dem oberen Ende des Andockgeräts 20 ist eine Andocköffnung 28 zur Verbindung des Andockgeräts 20 mit der Raumplattform 12 vorgesehen, wie weiter oben beschrieben ist. Wie am besten Fig. 7 zeigt, enthält die Andocköffnung 28 eine Andockberührungsfläche mit einem Flansch 78, die vier gleichmäßig beabstandete Ausrichtungsführungen 80 trägt, die das Andocken in Stufen von 90º ermöglichen. Die Andockberührungsfläche bzw. das Andockinterface enthält außerdem 8 gleichmäßig beabstandete strukturelle Klinken 82, die nach dem Klinke-auf-Klinkenkonzept arbeiten, d. h. die verlängerten Laschen des einen Mechanismus greifen in die zurückgezogenen Laschen des anderen ein, wenn die zwei Mechanismen innerhalb eines bestimmten Abstands voneinander angeordnet sind. Getrennte Greiflaschen können verwendet werden, wenn gewünscht, sind jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt. Die andere Öffnung 48 der Raumplattform 12 enthält eine Andockberührungsfläche einer ähnlichen Konstruktion. Die Andocköffnung 28 kann mittels einer druckdichten Klappe 84 geöffnet und geschlossen werden und eine ähnliche Klappe 86 befindet sich innerhalb der Andocköffnung 48 der Raumplattform 12.
Das Andockgerät 20 enthält ferner die nach hinten weisende Austrittsöffnung 62, die mittels einer druckdichten Klappe 88 verschlossen ist. Die Austrittsöffnung 62 ermöglicht der Besatzung den Zugang zu der Nutzlastabteilung 32 des Raumfahrzeugs 10, wenn die Tunnelberührungsflächenöffnung 56 mit einem Nutzlasttunnel oder Vorratsbehälter versehen ist.
Die Klappen in der Raumplattformandocköffnung 28, der Austrittsöffnung 62, der Tunnelberührungsflächenöffnung 56 bewahren die Druckumgebung innerhalb des Druckbehälters 22. Diese Klappen stellen eine druckdichte Abdichtung an der jeweiligen Öffnung oder Berührungsfläche darf bis sie zum Durchgang zu oder aus dem Druckbehälter 22 entfernt werden. Die Klappen können, falls gewünscht, mit Sichtöffnungen (nicht dargestellt) versehen sein. Der Druckbehälter 22 wird mit dem Raumfahrzeug 10 durch die mechanische Verbindung der Andocköffnung 24 mit dem Balg 74 verbunden, der die hintere Kabinentrennwandöffnung 42 umgibt. Der Balg 74 stellt sich so ein, daß die Andocköffnung 24 getroffen wird, um kleinere Fehlausrichtungen der Öffnung 24 während des Andockmanövers zu kompensieren, und kann als anfänglicher Schritt bei Abdockmanövern zurückgezogen werden. Der Balg 74 kompensiert auch thermisch bedingte, strukturelle Kontraktion und Expansion des Andockgeräts 20 gegenüber der hinteren Kabinentrennwandöffnung 42. Der Balg 74 kann vorübergehend an der Öffnung 24 durch Verwendung einer Vielzahl von Schnellfreigabebefestigern, die für den Raumflug geeignet sind, befestigt werden. Der Druckbehälter 22 wird mit der Raumplattform 12 durch die mechanische Verbindung der Andockberührungsflächen verbunden, die an den Andocköffnungen 28 und 48 vorgesehen sind, wie oben beschrieben ist. Die Raumplattform 12 enthält als Primärkonstruktion eine innere Druckhülle 92, deren Inneres durch den Durchgang von der Raumfahrzeugbesatzungskabine 30 durch den Druckbehälter 22 und die Andocköffnungen 28 und 48 erreicht wird.
Wie Fig. 5 zeigt, erzeugt das Andockgerät 20 einen Kippwinkel 100 von etwa 20º zwischen den orthogonalen geometrischen Achsen x0, y0, z0 des Raumfahrzeugs 10 und den orthogonalen geometrischen Achsen X1, Y1, Z1 der befestigten Raumplattform 12. Infolgedessen erstreckt sich die Berührungsebene 102 zwischen den zwei Andocköffnungen 28 und 48 oberhalb des höchsten Punktes der hinteren Kabinentrennwand 36. Dies hat zur Folge, daß die Raumplattform 12 an dem Andockgerät 20 befestigt sein kann, während ein vorbestimmter Minimalabstand 104 zwischen den nächsten Punkten der Raumplattform 12 und des Raumfahrzeugs 10 aufrecht erhalten wird. Gleichzeitig paßt das Andockgerät 20 vollständig in den Umfang der Nutzlastabteilung 32, d. h. in das Volumen, welches durch die hintere Kabinentrennwand 36, die Nutzlastabteilungsdachlinie 106, die Nutzlastabteilungsinnenwände 108 und das Deck 110 begrenzt ist. Das Andockgerät 20 behindert daher, wenn es an dem Raumfahrzeug 10 befestigt ist, nicht das Schließen der Nutzlastabteilungstüren 44 und bedroht daher nicht die sichere Rückkehr des Raumfahrzeugs 10 zur Erde. Es wird darauf hingewiesen, daß dann, wenn die Raumplattform 12 an dem Raumfahrzeug 10 angedockt ist, sich ein Abschnitt der Raumplattform 12 unter die Dachlinie 106 in die Nutzlastabteilung 32 erstreckt. Die Raumplattform 12 ist so dimensioniert, daß die Möglichkeit einer mechanischen Überlagerung mit irgendeiner Nutzlast vermieden ist, die in der Nutzlastabteilung 32 befördert werden kann.
Das Andockgerät 20 ist starr von mehreren strukturellen Bauteilen gehalten, die den Druckbehälter 22 an dem Nutzlastabteilungslängsträger 114 und den Schwellen 116 befestigen. Die Träger 118 erstrecken sich seitlich von dem Mittelabschnitt des Druckbehälters 22 zu den Schwellen 116 der Nutzlastabteilungsinnenwänden 108. Ein oder mehr Vorratstanks 120 und 122 können an den Trägern befestigt sein. Jeder Träger 118 endet in zwei voneinander beabstandeten Seitenzapfen 124, die sich von dem Inneren des Trägers 118 erstrecken. Jeder Seitenzapfen 124 wird von einer Nutzlasthalteklinke 126 an einem Brückenanschlag 128 aufgenommen. Herabhängende Streben 130 sind an dem unteren Abschnitt des Druckbehälters 22 befestigt und treffen sich an ihren untersten Punkten in einem Längsträgerzapfen 132. Eine Nutzlasthalteklinke 126, die an dem Längsträger 114 befestigt ist, befestigt den Längsträgerzapfen 132. Die Nutzlasthalteklinken 126 können die Seitenzapfen 124 und den Längsträgerzapfen 132 während des Einbaus des Andockgeräts 20 vor dem Flug aufnehmen und befestigen. Alternativ können die Klinken 126 die Seitenzapfen 124 und den Längsträgerzapfen 132 während der Andockmanöver der Fig. 3 und 4 aufnehmen und halten. Die Klinken 126 ermöglichen eine gesteuerte Freigabe der Seitenzapfen 124 und des Längsträgerzapfen 132 während der Abdockmanöver.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben ist, ist die Erfindung nicht auf deren Einzelheiten beschränkt. Verschiedene Substitutionen und Modifikationen sind für den Fachmann ersichtlich, und alle diese Substitutionen und Modifikationen sollen in den Schutz der Erfindung fallen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Raumfahrzeug (10) mit einer Besatzungskabine (30), einer Nutzlastabteilung (32), einer Trennwand (36) zwischen der Besatzungskabine und der Nutzlastabteilung, einer Öffnung (42) in der Trennwand zum Durchgang der Besatzung zwischen der Besatzungskabine und der Nutzlastabteilung, wenigstens einer Nutzlastabteilungstür (44) zwischen der Nutzlastabteilung und dem äußeren des Raumfahrzeugs und einem Andockgerät (20), welches von dem Raumfahrzeug zur Verbindung des Raumfahrzeugs mit einem zweiten Raumfahrzeug (12) getragen wird, wobei das Andockgerät umfaßt:

einen starren Druckbehälter (22) mit einer ersten und einer zweiten Öffnung (24, 28) und einem inneren Durchgang zwischen diesen, wobei die erste Öffnung mit der Trennwandöffnung in Verbindung steht, und

eine Andockstirnseite (78, 80, 82), die mit der zweiten Öffnung versehen ist, um das Andockgerät mit dem zweiten Raumfahrzeug zu koppeln, dadurch gekennzeichnet, daß

die erste und die zweite Öffnung in einer feststehenden Position relativ zueinander angeordnet sind und

die Andockstirnseite an dem Druckbehälter auf eine Weise positioniert ist, daß das zweite Raumfahrzeug eine gekippte Position gegenüber dem ersten Raumfahrzeug beim Koppeln mit der Andockstirnfläche einnimmt, so daß ein Abschnitt des zweiten Raumfahrzeugs sich in die offene Nutzlastabteilung des ersten Raumfahrzeugs erstreckt, wobei die Abmessungen des Andockgerätes so sind, daß das Andockgerät stets vollständig innerhalb der Nutzlastabteilung des ersten Raumfahrzeugs angeordnet ist.

2. Raumfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Ebenen der ersten Öffnung und der Andockstirnseite an dem Druckbehälter auf eine Weise positioniert sind, daß sie einen schrägen Winkel zueinander bilden.

3. Raumfahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Andockstirnseite einen Flansch (78) enthält, der mehrere beabstandete Umfangsausrichtungsführungen (80) und mehrere strukturelle Klinken (82) trägt.

4. Raumfahrzeug nach jedem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Trennwandöffnung und die zweite Öffnung jeweils eine druckdichte Klappe (84) haben.

5. Raumfahrzeug nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Andockgerät ferner eine Tunnelstirnseitenöffnung (56) aufweist, die von dem Druckbehälter getragen ist und mit dem inneren Durchgang in Verbindung steht.

6. Raumfahrzeug nach Anspruch 5, wobei die Tunnelstirnseitenöffnung eine druckdichte Klappe (77) aufweist.

7. Raumfahrzeug nach Anspruch 5 oder 6, ferner mit einem Lagerbehälter (79), der mit der Tunnelstirnseitenöffnung gekoppelt ist.

8. Raumfahrzeug nach jedem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Andockgerät ferner eine Austrittsöffnung (62) hat, die von dem Druckbehälter getragen ist und mit dem inneren Durchgang zwischen dem Druckbehälter und der Nutzlastabteilung in Verbindung steht.

9. Raumfahrzeug nach Anspruch 8, wobei die Austrittsöffnung eine druckdichte Klappe (88) enthält.

10. Raumfahrzeug nach Anspruch 1, ferner enthaltend ein Nutzlasthaltesystem (126, 128) in der Nutzlastabteilung zum Befestigen des Andockgerätes an dem Raumfahrzeug, eine Druckschleuse zwischen der Besatzungskabine (30) und der Trennwandöffnung (42), erste und zweite Nutzlastabteilungstüren (44), die die Nutzlastabteilung einschließen können, und einen Fernmanipulatorarm (40), der zum Andocken des zweiten Raumfahrzeugs an dem ersten Raumfahrzeug verwendbar ist.

11. Raumfahrzeug nach Anspruch 10, ferner enthaltend eine Tragkonstruktion (118), die an dem Andockgerät und an dem Nutzlasthaltesystem befestigt ist.

12. Raumfahrzeug nach Anspruch 11, ferner enthaltend wenigstens einen Vorratstank (120), der von der Trägerkonstruktion getragen wird.

13. Raumfahrzeug nach Anspruch 2, wobei der starre Druckbehälter aus wenigstens zwei rohrförmigen Abschnitten (71, 73, 75) besteht, die in einem schrägen Winkel miteinander verbunden sind.

14. Raumfahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Andockgerät von der Trennwandöffnung lösbar ist.

15. Verfahren zum Andocken eines ersten (10) und eines zweiten (12) Raumfahrzeugs über ein Andockgerät (20), wobei das erste Raumfahrzeug eine Besatzungskabine (30), eine Nutzlastabteilung (32), eine Trennwand (36) zwischen der Besatzungskabine und der Nutzlastabteilung, eine Öffnung (42) in der Trennwand zum Durchgang der Besatzung zwischen der Besatzungskabine und der Nutzlastabteilung und wenigstens eine Nutzlastabteilungstür (44) aufweist, die die Nutzlastabteilung zu der Außenseite des Raumfahrzeugs öffnet, wobei das Andockgerät an einem Ende entweder mit der Trennwandöffnung des ersten Raumfahrzeugs oder einer Andocköffnung (48) des zweiten Raumfahrzeugs befestigt ist und an seinem freien Ende mit der anderen Öffnung der Andocköffnung oder der Trennwandöffnung anbringbar ist,

wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bringen des Raumfahrzeugs in dichte Nähe und Öffnen der Nutzlasttür, gekennzeichnet durch

Manövrieren wenigstens eines der beiden Raumfahrzeuge auf solche Weise, daß das erste und das zweite Raumfahrzeug eine geneigte Position zueinander einnehmen, wobei ein Abschnitt des zweiten Raumfahrzeugs sich in die offene Nutzlastabteilung des ersten Raumfahrzeugs erstreckt, und

Koppeln des freien Endes des Andockgerätes mit der anderen Öffnung der Andocköffnung oder der Trennwandöffnung, die in einer feststehenden Position zueinander angeordnet sind, um die Raumfahrzeuge in ihrer relativ zueinander gekippten Position zu halten, wobei sie miteinander verbunden sind.

16. Andockverfahren nach Anspruch 15, wobei das erste Raumfahrzeug einen Fernmanipulatorarm (40) aufweist, und wobei der Schritt des Manövrierens wenigstens eines der beiden Raumfahrzeuge und des Koppelns der Andocköffnung des zweiten Raumfahrzeugs mit dem Andockgerät unter Verwendung des Fernmanipulatorarms ausgeführt werden.