宇宙機のドッキングおよび係留

ドッキングおよび係留の機構は、機構のどの部分を使って結合するかによって、無性型と有性型に分かれる。初期の宇宙機の結合装置は、すべて有性型のものだった。有性型とは、結合する双方の機体がそれぞれ独特の形状 (『雄』型と『雌』型) を持ち、ドッキングの過程において特定の役割を果たすという設計のもので[2]、その役割は交代することはできない。さらに雄と雄、雌と雌など、同じ形のものは結合できない。

対照的に無性型のドッキング (また後には無性型の係留) では、双方の機体が同型の接合部を持つ。無性型の結合では接合部は単一の形状しかなく、それぞれは自身の複製と結合することになる。これによりすべての2機の宇宙機の間で救出作業や共同作業ができるようになるのはもちろんのこと、機構的な段階における冗長性 (役割の互換性) を持つことが可能になる。また柔軟な飛行計画を立てたり、特殊な飛行をする際の分析や訓練の手間を省くことが可能になる[2]。

ドッキングあるいは係留接続器は、ある形式のドッキングまたは係留のための接続部を、異なる形式の接続部と連結させることを容易にするための機械的または電気機械的装置である。この接続部は理論的には「ドッキング – ドッキング型」「ドッキング – 係留型」「係留 – 係留型」の3種類があり得るが、今日までに宇宙空間で配置されたのは最初の2種類のみである。これまでに打ち上げられたものあるいは今後打ち上げられる予定の接続器は、以下のとおりである：

• ASTPドッキング区画：アメリカの探針誘導式装置 (アポロドッキング機構) をAPAS-75に結合させるもの。1975年のアポロ・ソユーズテスト飛行で製造された。
• 与圧結合接続器 (Pressurized Mating Adapter, PMA)：現行の共通結合機構をAPAS-95に結合させるもの。ISSには3機が接続されており、PMA-1およびPMA-2は1998年にスペースシャトルSTS-88で、PMA-3は2000年にSTS-92で打ち上げられた。
• 国際ドッキング接続器 (International Docking Adapter, IDA)[22]：APAS-95をNASAドッキング機構に結合させるもの。ISSのハーモニー区画に設置された2カ所のPMAに、それぞれ1機のIDAが配置される予定である[23]。IDA-1はスペースX社のCRS-7で発射されハーモニーの前部PMAに取りつけられる予定だったが、発射は失敗に終わった[22][24]。IDA-2は同社のCRS-9で打ち上げられ、ハーモニーの上部PMAに接続される予定である[22][24]。この接続器は、ISSの国際共同委員会の試みで定められたドッキングのための基準である、国際ドッキング機構標準に適合するものになる[25]。

1978年発行のソ連の郵便切手に描かれるウラジーミル・ジャニベコフ船長 (左) とオレグ・マカロフ飛行士 (右)		サリュート6号の飛行を記念した切手に描かれるヴィクトル・サヴィヌイフ博士とウラジーミル・コワリョーノク

作家のデヴィッド・ポートリー (David S. F. Portree) は、史上10番目の宇宙ステーションであるサリュート7号とソユーズT-13のドッキングを「宇宙空間での修理の歴史において最も印象的な偉業のひとつ」として描いている[9]。太陽電池と遠隔装置が故障したことにより、サリュートは管制センターに異常が発生したことを報告できないまま自動飛行を続けていた。1985年2月、通常電池の残量が尽きると、突如としてステーションからの通信がとだえた。これによりその後の飛行士のスケジュールが大きく支障をきたしたため、ロシアの軍人ウラジーミル・ジャニベコフ [37]と工学航空機関士ヴィクトル・サヴィヌイフ [38]に応急修理に向かうことが命じられた。

ソ連時代を含むロシアのすべての宇宙ステーションは、自動のランデブーおよびドッキングシステムを採用している。これはIGLAを搭載していたサリュート1号から、クルスを搭載する現在のISSのロシア区画に至るまで継続している。T-13の飛行士らは、サリュート7号がランデブーに必要なレーダー電波や、遠隔測定のための情報を一切発信していないことを確認した。さらに接近して回転するサリュートを外部から観察した結果、携帯式のレーザー距離測定器を使用して接近することを決断した。

ジャニベコフは、サリュートの前部ドッキング装置に目標を定めた。機体を操作しサリュートの回転にソユーズを同期させ、暫定的なドッキングに成功する。その後確定的ドッキング状態を確保すると、彼らはステーションの電気系統がすべて停止していることを確認した。ハッチを開けるのに先立ち、ジャニベコフとサヴィヌイフが船内の空気をサンプリングすると、何も異常は確認されなかった。両名は毛皮の裏地のついた防寒着に身を包んで酷寒のサリュートに侵入し、修理を開始した。1週間以内にシステムは動作を回復し、無人の補給船がドッキングできるまでになった。ただし船内の空気が正常に戻るまでには、さらに2ヶ月近くかかった[9]。

オービタル・エキスプレス：アストロ (ASTRO, 左) とネクストサット (NEXTSat, 右)。2007年

非協力的ランデブーと捕獲の技術はすでに理論化されており、オービタル・エキスプレス (Orbital Express) 衛星の実験では、軌道上で無人の宇宙機とドッキングすることに成功している[34]。

この問題を解決するための代表的な方法には、2つの段階がある。第1段階では、目標とする宇宙機との相対速度がゼロになるまで、追跡するほうの宇宙機において姿勢制御と軌道変更が行われる。第2段階では、通常の協力的な宇宙機との間で行われるのと同じドッキング操作が開始される。この場合、双方の宇宙機が規格化されたドッキング装置を装備していることが前提となっている [39]。

NASAはすでに、自動・自律ランデブーとドッキングとは何であるかということを定義している。それによれば、「人間によるコントロールから独立し、また他のバックアップもなく飛行している2機の宇宙機をランデブーおよびドッキングさせる能力」のことで、センサー、ソフトウェア、リアルタイムの軌道追跡や機体の制御などの技術的な進歩が、その他の課題の中でも特に要求されるものである。またそれは「軌道上での燃料の貯蔵や補給のような能力の最終的な到達目標」であり、飛行に必要な部品を組み立てたりする惑星間飛行のような複雑な任務を遂行する上でも必要不可欠な技術である[40]。

自動・自律ランデブーおよびドッキング機 (The Automated/Autonomous Rendezvous & Docking Vehicle, ARDV) は、NASAが一般公募した宇宙開発研究課題センテニアル・チャレンジのひとつであり、早くも2014年か2015年には飛行する。この計画におけるNASAの重要な目標のひとつは、自動ランデブーおよびドッキングの技術を発達させ、それを実証することである。2010年の検討では、接近作業用レーザーセンサーの開発が計画の重要課題のひとつとして定められた。このセンサーは、非協力的機体に対して1キロメートルから1メートルまでの距離で使用される。また非協力的衛星に対するドッキング機構の開発も、そのような自律的飛行を成功させるためのきわめて重要な要素であるとされている[40]

非協力的宇宙飛行体の捕獲およびそれとの連結は、2010年に発表されたNASAの「遠隔操作ロボットおよび自律的システムに関するロードマップ」においても、最重要技術課題として定義されている [41]。