ARDS: hoe ruimtevaartuigen leren zichzelf te koppelen
Stel je twee auto's voor die op de snelweg naast elkaar rijden, allebei op 28.000 kilometer per uur, en die vervolgens zonder bestuurder naar elkaar toe moeten sturen om centimeter voor centimeter aan elkaar vast te klikken. Dat is ongeveer wat een Autonomous Rendezvous and Docking System (ARDS) doet in de ruimte: het stelt een ruimtevaartuig in staat om zelfstandig, zonder sturing vanaf de grond of door een piloot aan boord, een ander object te naderen en er fysiek mee te koppelen.
Een bekend voorbeeld is de Crew Dragon-capsule van SpaceX. Wanneer die het internationale ruimtestation ISS nadert, stuurt geen astronaut de laatste meters handmatig bij, zoals vroeger bij de Space Shuttle wel gebeurde. Sensoren en boordcomputers berekenen zelf de koers, sturen kleine stuwraketjes aan en laten de capsule vanzelf in de juiste poort glijden. De bemanning kijkt toe en kan ingrijpen bij problemen, maar de koppeling zelf verloopt automatisch.
Wat is het precies?
Autonome koppeling in de ruimte verloopt in een aantal stappen. Eerst is er de zogeheten fasering: het ruimtevaartuig past zijn baan aan zodat het in hetzelfde vlak en op dezelfde hoogte komt als het doel, bijvoorbeeld het ISS. Dit gebeurt met relatief grove navigatie op basis van gps-signalen.
Daarna volgt de naderingsfase op grote afstand, waarbij het vaartuig van tientallen kilometers naar een paar honderd meter beweegt. Hier wordt gebruikgemaakt van relatieve gps-navigatie: beide vaartuigen kennen elkaars positie en berekenen zelf het verschil.
Bij de laatste honderden meters nemen preciezere sensoren het over: lidar (een soort laserradar die afstand meet door lichtpulsen te sturen en de terugkaatsing te timen), optische camera's en soms radar. Deze data voedt een besturingssysteem dat voortdurend kleine koerscorrecties berekent, vergelijkbaar met hoe een zelfrijdende auto zijn positie op de weg bijstelt, maar dan in drie dimensies en zonder wrijving of zwaartekracht om op te vertrouwen.
Bij de daadwerkelijke koppeling zijn er twee hoofdvormen. Bij docking vliegt het vaartuig zelf tot in het contactmechanisme en klikt het vast, zoals bij Crew Dragon. Bij berthing wordt het vaartuig eerst opgevangen door een robotarm en vervolgens langzaam vastgezet, zoals bij de vrachtcapsules Cygnus en de originele Dragon-capsule van SpaceX. Voor de mechanische koppeling zelf bestaan verschillende systemen: het Russische probe-and-drogue-mechanisme (een pin die in een trechter schuift), het Amerikaans-Russische APAS-systeem uit het Shuttle-Mir-tijdperk, en de nieuwere androgyne International Docking Adapter (IDA), die is ontwikkeld volgens de gedeelde International Docking System Standard (IDSS) zodat vaartuigen van verschillende partijen op dezelfde poort kunnen aansluiten.
De grootste technische uitdaging ontstaat wanneer het doelobject niet meewerkt: een oude satelliet of stuk ruimtepuin zonder reflectoren, zender of stabiele oriëntatie. Zulke niet-coöperatieve doelen kunnen langzaam tuimelen, waardoor het systeem met camerabeelden zelf de vorm, afstand en rotatiesnelheid moet inschatten, zonder hulp van het doel zelf.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is veiligheid en betrouwbaarheid. Handmatig koppelen vraagt jarenlange training en blijft foutgevoelig, zeker bij vermoeidheid of slecht zicht. Automatisering vermindert het risico op menselijke fouten bij een manoeuvre waarbij een botsing desastreuze gevolgen kan hebben voor een bemand station.
Daarnaast maakt de techniek nieuwe soorten missies mogelijk die met een bemanning aan boord niet haalbaar of te duur zouden zijn. Onbemande vrachtschepen kunnen zo volledig zelfstandig bevoorrading naar een ruimtestation brengen. Ook satellietonderhoud wordt hierdoor mogelijk: een servicevaartuig kan aankoppelen bij een oude, bijna uitgeputte communicatiesatelliet en die extra brandstof of een nieuwe baan geven, zodat de eigenaar niet voor miljoenen euro's een vervanger hoeft te lanceren.
Een derde drijfveer is het opruimen van ruimtepuin. Rond de aarde zwerven duizenden kapotte satellieten en raketonderdelen die toekomstige missies in gevaar brengen. Om zulke objecten weg te halen, moet een vaartuig ze eerst kunnen naderen en vastpakken, ook al zijn ze niet ontworpen om gekoppeld te worden.
Tot slot is autonome koppeling onmisbaar voor verre missies naar de maan of Mars. Daar is de vertraging in radiosignalen te groot om vanaf de aarde in real time bij te sturen: een commando naar Mars doet er minuten over om aan te komen. Vaartuigen moeten dus zelf beslissingen kunnen nemen tijdens het koppelen.
Voorbeelden uit de praktijk
Orbital Express (2007) was een demonstratiemissie van het Amerikaanse defensieonderzoeksbureau DARPA, uitgevoerd door Boeing. Twee satellieten, ASTRO en NextSat, voerden in een baan om de aarde volledig autonome naderingen, koppelingen en zelfs brandstofoverdracht en onderdelenuitwisseling uit, en bewezen daarmee voor het eerst dat dit concept werkte.
Het Europese ATV Jules Verne (2008) was het eerste automatische vrachtschip van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. Het koppelde in april 2008 zelfstandig aan het Zvezda-module van het ISS, met behulp van relatieve gps-metingen en laser-videometers voor de laatste naderingsfase.
SpaceX Crew Dragon (vanaf 2019-2020) demonstreerde eerst onbemand (Demo-1, maart 2019) en vervolgens met bemanning (Demo-2, mei 2020) een volautomatische koppeling aan het ISS via de International Docking Adapter. Sindsdien is dit de standaardmanier waarop Amerikaanse astronauten het station bereiken.
Northrop Grumman's Mission Extension Vehicle-1 (2020) koppelde in februari 2020 als eerste commerciële servicevaartuig aan een niet voor onderhoud ontworpen satelliet: de communicatiesatelliet Intelsat 901, die al bijna door zijn brandstof heen was. Het MEV-vaartuig nam de aandrijving over en verlengde zo de levensduur van de satelliet met meerdere jaren.
Astroscale's ELSA-d-missie (2021), ontwikkeld door het Japanse bedrijf Astroscale, testte technieken om ruimtepuin te vangen met een magnetische koppelplaat, inclusief scenario's waarin het doelobject langzaam tuimelde, een belangrijke stap richting toekomstige puinopruimmissies.
China's Tianzhou-vrachtschepen koppelen sinds 2021 automatisch aan de kernmodule Tianhe van het Chinese ruimtestation Tiangong, voortbouwend op ervaring die China al vanaf 2011 opdeed met de Shenzhou-8-missie naar het testlab Tiangong-1.
Hoe ver is de techniek?
Voor coöperatieve doelen, dus vaartuigen die specifiek zijn uitgerust met reflectoren, zenders en een compatibel koppelmechanisme, is autonome koppeling inmiddels bewezen technologie. Amerikaanse, Europese, Russische en Chinese vaartuigen doen dit al jaren routinematig bij bemande ruimtestations, met een sterk trackrecord.
Veel lastiger, en nog volop in ontwikkeling, is het koppelen aan niet-coöperatieve objecten: oude satellieten of ruimtepuin zonder hulpmiddelen om herkend te worden. Missies als ELSA-d en de geplande ClearSpace-1-missie van het Zwitserse bedrijf ClearSpace, uitgevoerd in opdracht van ESA, moeten deze stap verder bewijzen. ClearSpace-1 moet een afgedankt raketonderdeel opruimen en stond bij de laatste bekende planning gepland voor de tweede helft van dit decennium, na eerdere vertragingen.
Een ander obstakel is standaardisatie. Hoewel de IDSS-standaard het voor ISS-partners eenvoudiger maakt om op elkaars poorten aan te sluiten, gebruiken commerciële spelers en andere landen nog altijd verschillende, niet onderling compatibele systemen. Dat maakt het lastiger om in de toekomst een universeel 'stopcontact' in de ruimte te hebben waarop elk vaartuig kan aansluiten.
Ook betrouwbaarheid bij tegenvallende omstandigheden, zoals fel tegenlicht van de zon dat camera's verblindt of onverwachte sensorstoringen, blijft een aandachtspunt. Elke missie bouwt noodprocedures in, zoals automatische afbreekmanoeuvres, maar elk incident wordt zorgvuldig geanalyseerd om het systeem verder te verbeteren.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn NASA en SpaceX de belangrijkste spelers, met Northrop Grumman (via zijn dochterbedrijf SpaceLogistics) actief op het gebied van satellietonderhoud. Ook Maxar Technologies ontwikkelt technologie voor servicing-missies.
Europa's ruimtevaartorganisatie ESA werkt samen met de Franco-Italiaanse fabrikant Thales Alenia Space aan een eigen androgyn koppelmechanisme, het International Berthing and Docking Mechanism (IBDM), en financiert via het Zwitserse bedrijf ClearSpace de eerste actieve puinopruimmissie.
Rusland bouwt voort op decennialange ervaring: het automatische Kurs-systeem wordt al sinds de jaren tachtig gebruikt voor koppelingen van Sojoez- en Progress-vaartuigen aan ruimtestations.
China ontwikkelt zijn eigen technologie via de China National Space Administration (CNSA) en de China Academy of Space Technology, met succesvolle toepassing bij het eigen ruimtestation Tiangong.
Op het gebied van ruimtepuin en satellietonderhoud is het Japanse bedrijf Astroscale een van de meest actieve private spelers wereldwijd, met vestigingen in onder meer het Verenigd Koninkrijk, de Verenigde Staten en Israël.