Il rendezvous è una manovra effettuata da due oggetti in volo nello spazio, solitamente un veicolo spaziale ed una stazione orbitante intorno alla Terra (indicati rispettivamente come "veicolo attivo"/inseguitore e "veicolo passivo"/bersaglio), avente come obiettivo l'avvicinamento degli stessi. Il termine è impropriamente, ma popolarmente utilizzato anche per indicare il raggiungimento di un pianeta, asteroide o altro oggetto celeste da parte di una sonda spaziale.
Il rendezvous richiede una corrispondenza precisa delle velocità orbitali e dei vettori di posizione dei due veicoli spaziali, permettendo loro di rimanere a una distanza costante attraverso il mantenimento orbitale. Il rendezvous può essere seguito o meno dal docking o dal berthing, procedure che mettono in contatto fisico due veicoli spaziali e creano un'unione tra di loro.
Il fine primario di una manovra rendezvous è il docking con un altro veicolo, reso possibile dalla presenza su entrambi i veicoli di meccanismi compatibili atti alla realizzazione dell'agganciamento. Una volta agganciati i due veicoli, utilizzando appositi tunnel di collegamento diventa possibile il passaggio di astronauti e/o materiale da un veicolo verso l'altro.
Storia Nel suo primo programma di voli spaziali umani, il Programma Vostok, l'Unione Sovietica lanciò coppie di veicoli spaziali dalla stessa rampa di lancio, a uno o due giorni di distanza (Vostok 3 e 4 nel 1962, e Vostok 5 e 6 nel 1963). In ciascun caso, i sistemi di guida dei lanciatori inserivano i due veicoli in orbite quasi identiche; tuttavia, ciò non era sufficientemente preciso per ottenere un rendezvous, poiché la Vostok era priva di propulsori di manovra per aggiustare la sua orbita e adattarla a quella della sua gemella. Le distanze di separazione iniziali erano comprese tra i 5 e i 6,5 km e aumentavano lentamente fino a raggiungere migliaia di chilometri.
Nel 1963, Buzz Aldrin presentò la sua tesi di dottorato intitolata Line-Of-Sight Guidance Techniques For Manned Orbital Rendezvous. Come astronauta della NASA, Aldrin lavorò per "tradurre la complessa meccanica orbitale in piani di volo relativamente semplici per i miei colleghi."
Primo tentativo fallito Il primo tentativo di rendezvous della NASA fu effettuato il 3 giugno 1965, quando l'astronauta statunitense James McDivitt tentò di manovrare il suo veicolo Gemini 4 per incontrare lo stadio superiore del razzo Titan II, che lo aveva lanciato. McDivitt non riuscì ad avvicinarsi abbastanza per mantenere l'orbita a causa di problemi di percezione della profondità e dello sfiato del propellente dello stadio, che lo faceva muovere. Tuttavia, i tentativi di rendezvous di Gemini 4 fallirono in gran parte perché gli ingegneri della NASA dovevano ancora imparare la meccanica orbitale coinvolta nel processo. Puntare semplicemente il muso del veicolo inseguitore verso il bersaglio e accendere i propulsori in quella direzione non funzionava. Se il bersaglio si trova più avanti nella stessa orbita e il veicolo inseguitore aumenta la velocità, aumenta anche la sua altitudine, allontanandolo effettivamente dal bersaglio. L'altitudine più elevata aumenta quindi il periodo orbitale a causa della terza legge di Keplero, mettendo il veicolo inseguitore non solo più in alto, ma anche dietro al bersaglio. La tecnica corretta richiede la modifica dell'orbita del veicolo inseguitore per consentire al bersaglio di raggiungerlo o essere raggiunto, e quindi, al momento giusto, passare alla stessa orbita del bersaglio senza movimento relativo tra i veicoli (ad esempio, mettendo il veicolo inseguitore in un'orbita più bassa, che ha un periodo orbitale più breve che gli consente di raggiungere il bersaglio, per poi eseguire un trasferimento alla Hohmann per tornare all'altezza orbitale originale).
Primo rendezvous riuscito
Il primo rendezvous riuscito fu realizzato dall'astronauta statunitense Wally Schirra il 15 dicembre 1965. Schirra manovrò il veicolo spaziale Gemini 6 a una distanza di 30 cm dal suo veicolo gemello Gemini 7. I veicoli spaziali non erano dotati di sistemi per il docking, ma mantennero l'orbita per più di 20 minuti. Schirra in seguito commentò:
Schirra usò un'altra metafora per descrivere la differenza tra i risultati dei due paesi:
Primo docking
Il primo docking tra due veicoli spaziali fu conseguito il 16 marzo 1966, quando Gemini 8, sotto il comando di Neil Armstrong, effettuò il rendezvous e il docking con un veicolo Agena Target Vehicle senza equipaggio. La Gemini 6 doveva essere la prima missione ad eseguire un docking, ma fu cancellata quando il veicolo Agena di quella missione andò distrutto durante il lancio.
I sovietici effettuarono il primo docking automatico e senza equipaggio tra Cosmos 186 e Cosmos 188 il 30 ottobre 1967. Il primo cosmonauta sovietico a tentare un docking manuale fu Georgij Beregovoj, che tentò senza successo di eseguire un docking tra il suo veicolo Sojuz 3 con la Sojuz 2 senza equipaggio nell'ottobre 1968. I sistemi automatizzati portarono i veicoli a circa 200 metri, mentre Beregovoj ridusse ulteriormente la distanza con il controllo manuale. Il primo docking con equipaggio riuscito avvenne il 16 gennaio 1969, quando le Sojuz 4 e Sojuz 5 eseguirono un docking, permettendo ai due membri dell'equipaggio della Sojuz 5 di eseguire un'attività extraveicolare per raggiungere la Sojuz 4.
Nel marzo 1969, Apollo 9 eseguì il primo trasferimento interno di membri dell'equipaggio tra due veicoli spaziali agganciati tra loro. Il primo rendezvous tra due veicoli spaziali di nazioni diverse avvenne nel 1975, quando una navicella Apollo effettuò un docking con una navicella Sojuz nell'ambito della missione Apollo-Sojuz.
Il primo docking multiplo avvenne quando entrambe le navicelle Sojuz 26 e Sojuz 27 eseguirono un docking con la stazione spaziale Saljut 6 nel gennaio 1978.
Usi
Un rendezvous avviene ogni volta che un veicolo spaziale porta membri dell'equipaggio o rifornimenti a una stazione spaziale in orbita. Il primo veicolo spaziale a farlo fu la Sojuz 11, che eseguì un docking con successo alla stazione Saljut 1 il 7 giugno 1971. Le missioni spaziali con equipaggio hanno effettuato con successo rendezvous con sei stazioni Saljut, con Skylab, con la stazione spaziale Mir, con la Stazione spaziale internazionale (ISS) e con la Tiangong. Al 2024 i veicoli spaziali Sojuz vengono utilizzati circa ogni sei mesi per trasportare membri dell'equipaggio da e verso la ISS. Dal 2021, dopo dieci anni dal pensionamento della Space Shuttle, gli Stati Uniti furono in grado di utilizzare il proprio veicolo di lancio per il trasporto di equipaggi, la versione per equipaggio della Dragon 2 di SpaceX, la Crew Dragon. Anche la navicella CST-100 Starliner di Boeing effettuò nel 2024 una missione spaziale con equipaggio, la Boe-CFT il cui esito però venne considerato un parziale successo. Entrambe le navicelle statunitensi vennero sviluppate nell'ambito del programma NASA Commercial Crew.
I veicoli spaziali cargo senza equipaggio vengono utilizzati per effettuare rendezvous con le stazioni spaziali al fine di rifornirle. I veicoli Sojuz e Progress hanno effettuato docking automatici sia con la Mir che con la ISS utilizzando il sistema di docking automatico Kurs, così come fino al 2014 il veicolo Automated Transfer Vehicle europeo, per eseguire un docking con il Segmento orbitale russo della ISS. Diversi veicoli spaziali senza equipaggio utilizzano un boccaporto di berthing della Segmento orbitale statunitense piuttosto che uno di docking. Al 2024 il veicolo Cygnus di Northrop Grumman (Orbital Sciences), e in passato anche il veicolo giapponese H-II Transfer Vehicle (HTV) e il veicolo Dragon 1 di SpaceX, esegue un rendezvous e mantenevano l'orbita, consentendo al Canadarm2 manodella ISS di afferrarli e posizionarli in un boccaporto di berthing del Segmento orbitale statunitense. Tuttavia, la versione migliorata di Dragon non necessita più di eseguire un berthing, ma esegue direttamente un docking autonomamente alla ISS. Il Segmento orbitale russo utilizza solo boccaporti di docking, quindi non è possibile per Cygnus, e in passato HTV e Dragon 1, eseguire un berthing lì.
Il rendezvous spaziale venne utilizzato per una varietà di altri scopi, tra cui le missioni di servizio al Telescopio Spaziale Hubble. Storicamente, per le missioni del Programma Apollo che portarono astronauti sulla Luna, lo stadio di ascesa del Modulo lunare Apollo effettuava un rendezvous e un docking con il Modulo di comando e servizio Apollo in manovre di rendezvous in orbita lunare. Inoltre, l'equipaggio della missione STS-49 effettuò un rendezvous con il satellite delle comunicazioni Intelsat VI F-3 e vi collegò un motore a razzo per consentirgli di eseguire una manovra orbitale.
In alternativa, i due veicoli spaziali possono già essere collegati e eseguire un undocking seguito da un altro docking: navicella Sojuz si sposta da un boccaporto all'altro sulla ISS o su Saljut la navicella Apollo, effettuava una manovra nota come trasposizione, docking ed estrazione circa un'ora dopo la manovra di inserzione translunare della sequenza terzo stadio del Saturn V/LM dentro LM/CSM, con il CSM con equipaggio e il LM senza equipaggio: il CSM si separava, mentre i quattro pannelli superiori dell'adattatore LM venivano rimossi il CSM ruotava di 180 gradi (da motore all'indietro, verso LM, a motore in avanti) il CSM eseguiva un docking con il LM mentre era ancora collegato al terzo stadio la combinazione CSM/LM si separava poi dal terzo stadio
La NASA a volte si riferisce a "Rendezvous, operazioni di prossimità, Docking e Undocking" (Rendezvous, Proximity-Operations, Docking, and Undocking, RPODU) per indicare l'insieme di tutte le procedure del volo spaziale necessarie per le operazioni spaziali in cui due veicoli spaziali lavorano in prossimità con l'intento di unirsi l'uno all'altro.
Fasi e metodi
La tecnica standard per il rendezvous e il docking consiste nel eseguire il docking da un veicolo inseguitore, verso un bersaglio. Questa tecnica è stata utilizzata con successo per i programmi Gemini, Apollo, Apollo/Sojuz, Saljut, Skylab, Mir, ISS e Tiangong.
Per comprendere correttamente il rendezvous spaziale, è essenziale capire la relazione tra la velocità di un veicolo spaziale e la sua orbita. Un veicolo spaziale in una certa orbita non può modificare arbitrariamente la propria velocità. Ogni orbita è correlata a una certa velocità orbitale. Se il veicolo accende i propulsori e aumenta (o diminuisce) la sua velocità, andrà in un'orbita diversa, correlata alla velocità più alta (o più bassa). Per le orbite circolari, le orbite più alte hanno una velocità orbitale inferiore, mentre le orbite più basse hanno una velocità orbitale più alta.
Affinché il rendezvous orbitale avvenga, entrambi i veicoli spaziali devono trovarsi sullo stesso piano orbitale, e la fase orbitale (la posizione dei veicoli spaziali nell'orbita) deve essere corrispondere. Per il docking, anche la velocità dei due veicoli deve essere la stessa. L'inseguitore viene posizionato in un'orbita leggermente più bassa rispetto al bersaglio. Più bassa è l'orbita, maggiore è la velocità orbitale. La differenza nelle velocità orbitali tra l’inseguitore e il bersaglio fa sì che l'inseguitore sia più veloce del bersaglio, permettendogli di raggiungerlo.
Una volta che i due veicoli spaziali sono sufficientemente vicini, l'orbita dell’inseguitore viene sincronizzata con quella del bersaglio, cioè l'inseguitore accelererà. Questo aumento di velocità porterà l'inseguitore a un'orbita più alta. L'aumento di velocità viene scelto in modo che l'inseguitore raggiunga approssimativamente l'orbita del bersaglio. A tappe, l'inseguitore si avvicina al bersaglio fino a quando possono iniziare le operazioni di prossimità.