俄羅斯改進(jìn)型載人飛船聯(lián)盟-MS

王永生 周生東 （中國航天員科研訓(xùn)練中心）

?

俄羅斯改進(jìn)型載人飛船聯(lián)盟-MS

王永生 周生東 （中國航天員科研訓(xùn)練中心）

新型改進(jìn)飛船取名為聯(lián)盟-MS，原計劃于2016年3月進(jìn)行首次飛行，但并未按期發(fā)射。俄羅斯能源火箭航天集團(tuán)4月1日對外宣稱，新型飛船將于2016年6月21日發(fā)射前往“國際空間站”。

1　開發(fā)聯(lián)盟-MS載人飛船的必要性

“聯(lián)盟”飛船實現(xiàn)首飛后經(jīng)過了多次改進(jìn)，進(jìn)入2000年后，飛船的改進(jìn)工作主要是與更換飛船控制系統(tǒng)的儀器有關(guān)，包括下降控制計算機(jī)（KC-020M）、線性速度測量部件、航天員控制臺（Нептун-МЭ）。此后又使用了新的船載數(shù)字計算系統(tǒng)（ЦВК-101）及匹配裝置（БУС101-1和2）。在船上還安裝了小型數(shù)字信息測量系統(tǒng)（МБИТС），并推廣和使用了復(fù)雜的軟件，該軟件起初在“進(jìn)步”（Progress）貨運飛船上使用，經(jīng)過成功飛行試驗后，又在“聯(lián)盟”飛船上安裝使用。在沒有影響飛行計劃、沒有中斷太空飛行、沒有進(jìn)行任何“聯(lián)盟”飛船試驗的情況下，成功地更換了幾乎所有飛船系統(tǒng)。

2009年，俄羅斯聯(lián)邦航天局（Roskosmos，現(xiàn)更名為俄羅斯航天國家集團(tuán)）要求俄羅斯能源火箭航天集團(tuán)論證改進(jìn)進(jìn)步 M-M和聯(lián)盟 TMA-M飛船的可能性，原因是準(zhǔn)備停止使用地面控制綜合系統(tǒng)中系統(tǒng)老化的“量子”和“卡瑪”地面站。

“量子”地面站通過船載無線電技術(shù)系統(tǒng)（БРТК）量子-B來保障“聯(lián)盟”和“進(jìn)步”飛船主要飛行控制回路。宇宙飛船有3種控制方法：第1種是自動控制方法，即用船載系統(tǒng)完成控制任務(wù)，不需要任何外界干預(yù)；第2種是地面控制方法，需要各類無線電技術(shù)設(shè)備進(jìn)行保障；第3種方法是飛船乘組控制。經(jīng)過之前對飛船的改進(jìn)，幾乎更換了所有船載自動控制系統(tǒng)和乘組控制系統(tǒng)的儀器和部件，現(xiàn)在需要解決無線電技術(shù)設(shè)備的問題。

保障與地面通信的船載儀器量子-B，以前是由烏克蘭切爾尼戈夫斯克工廠生產(chǎn)，現(xiàn)在這種儀器應(yīng)當(dāng)在俄羅斯生產(chǎn)?！翱ì敗钡孛嬲緞t是用于保障飛船軌道參數(shù)的測量（無線電監(jiān)控）。

2009年初，俄羅斯聯(lián)邦航天局著手解決存在的問題。因為“量子”和“卡瑪”地面站已停止使用，問題已無法回避，需要馬上開發(fā)出替代品。

此外還存在一個問題，就是船載運動控制系統(tǒng)儀器的電子元器件供貨問題。該系統(tǒng)有主要和備用回路，結(jié)果是?？亢投ㄎ豢刂平M件（БУПО）及備用回路信號轉(zhuǎn)換部件（БПО）已經(jīng)沒有了配套的電子元器件。為此，俄羅斯能源火箭航天集團(tuán)開始研制備用回路控制部件（БУРК），這也是改進(jìn)型飛船聯(lián)盟-MS和進(jìn)步-MS船載儀器的組成部分。

（2）引進(jìn)大數(shù)據(jù)處理性能較高的相關(guān)計算機(jī)技術(shù)。目前，針對大數(shù)據(jù)挖掘、存儲以及處理等問題，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了很多先進(jìn)的技術(shù)，比如MapReduce和Hadoop等數(shù)據(jù)分析平臺。

對此類船載系統(tǒng)和儀器的更換必然會導(dǎo)致對空間運動系統(tǒng)和綜合控制系統(tǒng)的重大調(diào)整，開發(fā)船載數(shù)字控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)軟件。為此，俄羅斯能源火箭航天集團(tuán)決定對進(jìn)步 M-M和聯(lián)盟 TMA-M飛船進(jìn)行重大改進(jìn)，明確相應(yīng)的技術(shù)任務(wù)，制定草案和技術(shù)文件。這就是聯(lián)盟-MS和進(jìn)步-MS新型飛船的由來。

2　聯(lián)盟-MS載人飛船上改進(jìn)的系統(tǒng)

2008年和2010年，分別對聯(lián)盟 TMA-M和進(jìn)步M-M飛船進(jìn)行了改進(jìn)，此次聯(lián)盟-MS和進(jìn)步-MS的改進(jìn)是上次重要階段性改進(jìn)的邏輯延續(xù)。聯(lián)盟-MS飛船上所改進(jìn)的系統(tǒng)如下。

與“國際空間站”對接的聯(lián)盟 TMA-03M和進(jìn)步M-13M飛船

首先，船載無線電指令系統(tǒng)量子- B （Квант-В）換成了統(tǒng)一的遙測指令系統(tǒng)（ЕКТС），該系統(tǒng)具有附加的遙測通道。實際上，在聯(lián)盟 TMA-M和進(jìn)步 M-M飛船上已經(jīng)對遙測系統(tǒng)進(jìn)行過改進(jìn)，屬于小型的信息遙測系統(tǒng)（МБИТС），具有執(zhí)行遙測指令系統(tǒng)（ЕКТС）的功能。新的遙測指令系統(tǒng)將具有通用功能：無線電指令線路通過射線-5（Loutch-5）中繼衛(wèi)星執(zhí)行保障工作，這將極大地增加飛船無線電可見范圍，達(dá)到了1圈（軌道）長度的70%。

俄羅斯的射線-5中繼衛(wèi)星

其次，新飛船將使用新的船載無線電技術(shù)對接系統(tǒng)航向-HA（Kurs-HA），該系統(tǒng)已經(jīng)在2艘進(jìn)步 М-М貨運飛船上進(jìn)行了飛行試驗。與航向-HA相比，新系統(tǒng)在質(zhì)量、尺寸和動力特性方面進(jìn)行了優(yōu)化，將取消一副復(fù)雜的無線電天線（一共3副天線）。航向-HA系統(tǒng)是基于新的元器件而研制，重要的是，它將在俄羅斯生產(chǎn)。

此外，船載無線電軌道監(jiān)控系統(tǒng)換成了衛(wèi)星導(dǎo)航儀器（ACH-K），新的儀器已經(jīng)在進(jìn)步 M-M飛船上安裝并在遙測狀態(tài)下進(jìn)行了試運行。經(jīng)過全面的分析后，計劃在主要控制回路中使用該儀器。衛(wèi)星導(dǎo)航儀器是關(guān)鍵性的系統(tǒng)，它能極大優(yōu)化運動控制系統(tǒng)的功能。這為飛船定位提供功能儲備，依靠從衛(wèi)星導(dǎo)航儀器上獲取的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，能夠保障完成與空間站的交會。換句話說，無線電軌道監(jiān)控器簡直就不需要了，衛(wèi)星導(dǎo)航儀器與航向-HK構(gòu)成了完全獨立的飛船交會對接系統(tǒng)。

在聯(lián)盟-MS上安裝新的數(shù)字儀器—備用回路控制組件，取代類似的儀器—?？亢投ㄎ豢刂平M件-1（БУПО-1），在進(jìn)步-MS飛船上則替換了停靠和定位控制組件-1和信號轉(zhuǎn)換部件（БПС）。同時要指出的是，備用回路控制組件是由俄羅斯能源火箭航天集團(tuán)開發(fā)，它拓展了運動控制系統(tǒng)備用回路的能力，并解決了配套產(chǎn)品的生產(chǎn)問題。

重新研制的儀器與船載數(shù)字計算系統(tǒng)的相互作用，通過直通數(shù)字信道來完成，這需要對軟件進(jìn)行全面更新。

需要指出的是，為了替換同類的電視系統(tǒng)“克列斯特”（Клест），將使用數(shù)字電視系統(tǒng)。得益于此，飛船與空間站之間的通信將直接由艙載間（船間）的無線電線路來完成。

由于配套產(chǎn)品的停產(chǎn)還將對以下部件進(jìn)行更換：角速度傳感器（БДУС-3М）將換為改進(jìn)的傳感器（БДУС-3М?。谎b有鹵化白熾燈的照明器換為發(fā)光二極管燈（СФОК）。

還需要指出的是，已把電話電報系統(tǒng)黎明-M替換為黎明-3БМ，做這樣的調(diào)整是為了使黎明-3БМ與小型信息遙測系統(tǒng)（МБИТС）一樣，在功能上與統(tǒng)一的遙測指令系統(tǒng)（ЕКТС）一體化。

所要強(qiáng)調(diào)的是，在聯(lián)盟-MS和進(jìn)步-MS飛船以及它們之前的改進(jìn)上，都是保證飛船控制系統(tǒng)與“國際空間站”俄羅斯艙段船載控制系統(tǒng)完全一體化（集成化）。以前只能通過獨立于空間站的無線電指令線路來控制飛船。

總之，聯(lián)盟-MS飛船的功能特性有了極大的優(yōu)化，比如新的地面和船載無線電技術(shù)系統(tǒng)采用了現(xiàn)代化的信息傳輸技術(shù)，這將提高飛船控制系統(tǒng)的可靠性。飛船的質(zhì)量和動力方面，這次沒有大的變化。

專家們在聯(lián)盟-MS和進(jìn)步-MS飛船中所做的工作，對于現(xiàn)在和將來研發(fā)新一代載人飛船，無論在方法上、技術(shù)上還是組織上，都有借鑒價值，這是非常重要的。應(yīng)俄羅斯聯(lián)邦航天局的預(yù)訂，目前俄羅斯能源火箭航天集團(tuán)正在進(jìn)行新一代飛船的研制。

3　“聯(lián)盟”飛船數(shù)字計算機(jī)系統(tǒng)及其改進(jìn)

在現(xiàn)行的“聯(lián)盟”飛船計算機(jī)系統(tǒng)中，包括了中央計算機(jī)（ЦВМ-101）、計算機(jī)（KC-020M）、控制臺（Непун-МЭ）。中央計算機(jī)位于儀器設(shè)備艙內(nèi)，負(fù)責(zé)控制飛船的定位，解決交會對接問題等。計算機(jī)位于返回艙內(nèi)，負(fù)責(zé)保障返回艙脫離軌道返回地面。計算機(jī)之間通過多路交換通道保持聯(lián)系。

在改進(jìn)后的聯(lián)盟-MS飛船返回艙內(nèi)也安裝了中央計算機(jī)，如此布局已相當(dāng)可觀。這種布局有很大的優(yōu)勢，并得到了檢驗。據(jù)專家介紹，“聯(lián)盟”飛船以后不會再有這方面的改進(jìn)計劃。新一代“聯(lián)邦”載人飛船將進(jìn)行新的調(diào)整和布局，因為新一代飛船將要拓展其返回的能力。

4　聯(lián)盟-MS飛船飛行試驗及下一步的改進(jìn)計劃

進(jìn)步-MS已于2015年底進(jìn)行了首飛，聯(lián)盟-MS原計劃2016年3月進(jìn)行首飛（現(xiàn)首飛日期改為2016 年6月）。在“進(jìn)步”飛船上訓(xùn)練所有的儀器和系統(tǒng)，如果一切正常，再在載人飛船上安裝。飛船開始飛行后，各系統(tǒng)和設(shè)備都有備用品，至少會用1艘老式飛船作為首艘新改進(jìn)飛船的備用品。

據(jù)俄羅斯能源火箭航天集團(tuán)專家介紹，在聯(lián)盟-MS飛船使用后，“聯(lián)盟”系列飛船將不會再有大的改進(jìn)，因為需要更換的系統(tǒng)基本上都進(jìn)行了更換和改進(jìn)。但是以后可能會有一些調(diào)整，主要是與一些儀器已停產(chǎn)和需要完成一些附加任務(wù)有關(guān)。其中，計劃將下降控制系統(tǒng)和應(yīng)急搶險系統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀換為光學(xué)陀螺儀。剛好配套產(chǎn)品已停產(chǎn)且出現(xiàn)了新的附加任務(wù)，所以此舉很有必要。為此，企業(yè)只好自己研發(fā)復(fù)雜儀器—角速度集成部件（БИУС）。

聯(lián)盟-MS-01飛船的LOGO

此外，如何使聯(lián)盟-MS和進(jìn)步-MS飛船所有船載系統(tǒng)適應(yīng)新的運載火箭聯(lián)盟-2，這也是需要解決的問題，因為飛船與火箭之間的接口也出現(xiàn)了變化，所有這些都要進(jìn)行調(diào)整。

聯(lián)盟-MS飛船暫時還沒有延長飛行時間的計劃，目前飛船可飛行7.5個月。如果需要，可將飛船飛行時間延長至1年，以此來減少飛船的數(shù)量。

改進(jìn)后的聯(lián)盟-MS飛船并未改變飛船與乘組操作的接口，當(dāng)年曾在聯(lián)盟 TMA-M飛船上更換了控制臺（Непун-МЭ）的接口，當(dāng)時并不是為了更換，正好相反，是為了擴(kuò)大接口的功能，現(xiàn)在接口的功能非常強(qiáng)大，一個人完全可以對聯(lián)盟-MS飛船進(jìn)行控制。

Improved Russian Human Spacecraft Soyuz-MS