俄羅斯擴(kuò)建“國際空間站”情況分析

苑藝 何慧東（北京空間科技信息研究所）

莫斯科時間2021年11月24日16:06（北京時間2021年11月24日21:06），俄羅斯在拜科努爾航天中心利用聯(lián)盟－2.1b（Soyuz－2.1b）運(yùn)載火箭成功將進(jìn)步M－UM（Progress M－UM）飛船發(fā)射入軌，將停泊號節(jié)點艙（Prichal）送往“國際空間站”（ISS）。俄羅斯圍繞提升“國際空間站”應(yīng)用能力，在現(xiàn)有艙段基礎(chǔ)上進(jìn)一步部署新艙段，本次任務(wù)是繼科學(xué)號多功能實驗艙（Nauka）之后的第2次擴(kuò)建任務(wù)，任務(wù)完成后標(biāo)志著“國際空間站”俄羅斯艙段的擴(kuò)建工作完成。

1 項目背景

“國際空間站”是由美國、俄羅斯主導(dǎo)，共計16個國家參與建造和運(yùn)行的大型空間基礎(chǔ)設(shè)施，是目前在軌運(yùn)行的最大空間平臺，支持微重力環(huán)境下的科學(xué)實驗和長期人類活動?！皣H空間站”于1998年正式開始在軌建造，于2011年基本完成大規(guī)模組件的在軌組裝，全面進(jìn)入在軌應(yīng)用和維護(hù)階段，后續(xù)繼續(xù)部署少量艙段進(jìn)一步擴(kuò)展其在軌能力。

“國際空間站”整體上可以劃分為美國艙段和俄羅斯艙段，俄羅斯在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。至2011年大規(guī)模建造階段結(jié)束時，俄羅斯艙段包括曙光號（Zarya）功能貨艙、星辰號（Zvezda）服務(wù)艙、碼頭號（Pirs）對接艙、搜索號（Poisk）迷你研究艙－2、破曉號（Rassvet）迷你研究艙－1等5個艙段。俄羅斯艙段在軌規(guī)模較大，但在軌應(yīng)用能力仍存在一定欠缺。在“國際空間站”全部66批長期考察組中，俄羅斯航天員占總?cè)蝿?wù)人次數(shù)的40%以上，但開展實驗僅占“國際空間站”實驗項目總數(shù)的約20%。

為此，俄羅斯在“國際空間站”設(shè)計和建造階段即計劃在已有艙段基礎(chǔ)上，逐步補(bǔ)充部署科學(xué)號多功能實驗艙（Nauka）、停泊號節(jié)點艙（Prichal）、科學(xué)-動力艙（HEM）等3個新艙段，逐步提升應(yīng)用能力。隨著“國際空間站”已有艙段老化，俄羅斯變更原擴(kuò)建方案，將科學(xué)-動力艙改用作俄羅斯軌道服務(wù)站（ROSS）的艙段，僅向“國際空間站”部署科學(xué)號、停泊號等2個新艙段。

“國際空間站”俄羅斯艙段部分建造完成后示意圖

最初，俄羅斯計劃在2009年部署科學(xué)號多功能實驗艙，由于設(shè)計方案修改和研制階段發(fā)生多次問題，新艙段的發(fā)射日期多次推遲。最終，科學(xué)號于2021年7月成功部署。隨后，停泊號節(jié)點艙于2021年11月發(fā)射，完成“國際空間站”俄羅斯艙段的全部擴(kuò)建工作。

2 擴(kuò)建任務(wù)情況

科學(xué)號多功能實驗艙相關(guān)情況

（1）艙體情況

科學(xué)號多功能實驗艙是“國際空間站”最大的艙段之一，同時是繼美國命運(yùn)號（Destiny）、歐洲哥倫布號（Columbus）和日本希望號（Kibo）后第4個大型科學(xué)實驗艙。

科學(xué)號項目最早可以追溯到1995年，其前身是“國際空間站”首個艙段曙光號功能貨艙的備份，又名FGB－2。1998年，曙光號成功發(fā)射后，F(xiàn)GB－2的研制工作被擱置。2004年，俄羅斯決定簡化“國際空間站”俄羅斯艙段部分構(gòu)型，以FGB－2為基礎(chǔ)打造科學(xué)號多功能實驗艙。

科學(xué)號由俄羅斯航天國家集團(tuán)出資，能源火箭航天集團(tuán)抓總，聯(lián)合赫魯尼切夫國家航天科研生產(chǎn)中心（ISS Khrunichev）等企業(yè)共同研制?？茖W(xué)號主要由儀器加壓艙和球形加壓適配器組成，在軌質(zhì)量20350kg，全長13.12m，最大直徑4.25m，加壓艙體積70m3，太陽電池陣面積56m2，供電功率2.5kW，設(shè)計壽命15年?？茖W(xué)號包含應(yīng)用、生保、推進(jìn)、飛控、熱控等多個分系統(tǒng)，相互配合支持其在軌穩(wěn)定運(yùn)行。

科學(xué)號多功能實驗艙結(jié)構(gòu)圖

（2）部署過程

科學(xué)號多功能實驗艙于2020年8月完成研制和測試，從赫魯尼切夫國家航天科研生產(chǎn)中心出廠，運(yùn)往拜科努爾航天發(fā)射場。2021年7月21日，質(zhì)子－M（Proton－M）火箭點火發(fā)射，成功將科學(xué)號多功能實驗艙送入預(yù)定軌道?？茖W(xué)號入軌后，在軌飛行8天，成功對接至“國際空間站”?？茖W(xué)號與“國際空間站”對接約3小時后，站上乘員將科學(xué)號飛行控制計算機(jī)與空間站計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，并對系統(tǒng)進(jìn)行空氣檢漏，隨后按計劃打開艙門。在此過程中，科學(xué)號發(fā)生軟件故障，錯誤執(zhí)行了指令，意圖使科學(xué)號撤離空間站，推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)動機(jī)計劃外點火，導(dǎo)致空間站姿態(tài)失穩(wěn)，在約半小時內(nèi)在軌翻轉(zhuǎn)1.5圈。為了維持“國際空間站”姿態(tài)，星辰號服務(wù)艙進(jìn)行了補(bǔ)償點火。利用星辰號服務(wù)艙姿態(tài)控制系統(tǒng)和進(jìn)步MS－17貨運(yùn)飛船對空間站進(jìn)行姿態(tài)控制，使旋轉(zhuǎn)速度逐漸慢下來直至停止，隨后反向旋轉(zhuǎn)約0.5圈后恢復(fù)正常姿態(tài)。

（3）任務(wù)安排

科學(xué)號多功能實驗艙與“國際空間站”成功對接后，將開展為期12個月的在軌安裝與調(diào)試工作，主要分為4個階段：①對科學(xué)號進(jìn)行在軌組裝，包括安裝氣閘艙、附加散熱器以及大尺寸設(shè)備固定裝置；②對科學(xué)號系統(tǒng)及接口功能進(jìn)行檢測，確保其與俄羅斯艙段部分連接正常；③用已經(jīng)運(yùn)抵空間站的工具和科學(xué)設(shè)備對科學(xué)號進(jìn)行改造；④制定艙段工作模式、飛行操作以及異常情況處置機(jī)制。

科學(xué)號多功能實驗艙投入使用后，將進(jìn)一步擴(kuò)展“國際空間站”俄羅斯艙段部分的在軌能力，可增加俄羅斯艙段的工作和生活空間，開展科學(xué)與應(yīng)用研究，支持歐洲機(jī)械臂工作等。科學(xué)號能夠用于“國際空間站”的滾轉(zhuǎn)控制，在初期用于臨時對接進(jìn)步MS貨運(yùn)飛船、聯(lián)盟－MS載人飛船，后續(xù)永久性對接停泊號（Prichal）節(jié)點艙。

停泊號節(jié)點艙相關(guān)情況

（1）艙體情況

停泊號節(jié)點艙是“國際空間站”俄羅斯艙段的重要組成部分，于2007年提出計劃，2011年完成初步設(shè)計并獲得批準(zhǔn)，2014年完成研制。由于科學(xué)號多功能實驗艙研制進(jìn)度多次推遲，停泊號節(jié)點艙轉(zhuǎn)入封存狀態(tài)。

停泊號節(jié)點艙為帶有6個對接口的加壓球形艙段，質(zhì)量為4650kg，長4.91m，直徑3.3m，內(nèi)部加壓空間19m3，設(shè)計壽命超過30年。在6個對接口中，1個為主動對接口（天頂方向），用于與“國際空間站”科學(xué)號對接，另5個為被動對接口，用于支持其他飛船、艙段等對接。停泊號節(jié)點艙安裝在科學(xué)號多功能實驗艙天底點，與曙光號、星辰號等艙段之間留出了足夠空間，其他航天器對接時能夠有效避免干擾。停泊號天底方向的對接口能夠支持雙向的燃料加注，并能夠通過航向（Kurs）系統(tǒng)自動對接，同時配備了曾經(jīng)和平號空間站（Mir）使用的里亞帕（Lyappa）小型機(jī)械臂，支持艙段/飛船轉(zhuǎn)位操作。

在未來的標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)中，“聯(lián)盟”載人飛船優(yōu)先對接于停泊號、破曉號，“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船優(yōu)先對接于星辰號、搜索號。這是因為星辰號尾段存在輕微裂痕導(dǎo)致空氣泄漏，平時需要盡可能關(guān)閉尾段艙門，如果對接“聯(lián)盟”飛船將阻斷乘員應(yīng)急登船通道，且“進(jìn)步”飛船對接在尾段有利于利用其主發(fā)動機(jī)對“國際空間站”進(jìn)行軌道維持。同時，“進(jìn)步”飛船也優(yōu)先對接于搜索號，因為搜索號目前作為俄羅斯艙段的氣閘艙，在太空行走過程中成為真空狀態(tài)，若“聯(lián)盟”飛船對接搜索號，緊急情況下不利于航天員撤離。

停泊號節(jié)點艙結(jié)構(gòu)圖

（2）部署過程

停泊號節(jié)點艙于2021年7月完成各項研制測試工作，從俄羅斯能源火箭航天集團(tuán)（RSC Energia）出廠，運(yùn)往拜科努爾航天發(fā)射場。停泊號節(jié)點艙由進(jìn)步M飛船送往“國際空間站”，本次任務(wù)對進(jìn)步M飛船進(jìn)行了改裝，去掉了貨艙，在飛船前部安裝了停泊號節(jié)點艙，形成的組合體稱為進(jìn)步M－UM。2021年11月24日，聯(lián)盟－2.1b運(yùn)載火箭點火發(fā)射，成功將進(jìn)步M－UM送入預(yù)定軌道，在軌飛行2天后，進(jìn)步M－UM與“國際空間站”科學(xué)號實驗艙天底點對接。停泊號節(jié)點艙裝載了700kg貨物，包括食物、個人防護(hù)設(shè)備、凈水器、維修設(shè)備、衛(wèi)生用品和藥品等，支持“國際空間站”第66長期考察組工作和生活。

進(jìn)步M飛船將在軌停留約30天，之后再入大氣層燒毀。隨后，俄羅斯計劃安排6次太空行走，完成“國際空間站”、科學(xué)號實驗艙、停泊號節(jié)點艙的各項設(shè)備安裝和線路連接工作。

3 幾點分析

（1）俄羅斯艙段應(yīng)用成效長期受限

“國際空間站”計劃的最初目的是建造大型近地軌道平臺，在軌開展科學(xué)研究和技術(shù)試驗，實現(xiàn)長期空間生存和工作。為此，“國際空間站”總體設(shè)計選擇了桁架掛艙式結(jié)構(gòu)，以桁架為基礎(chǔ)，加壓艙和其他服務(wù)設(shè)施掛靠在桁架上，這種結(jié)構(gòu)能夠提供較寬闊的設(shè)備安裝區(qū)，保證各類觀測設(shè)備不受阻擋，并支持大面積太陽能電池翼的安裝。但在實際運(yùn)行過程中，參與國出于成本等考慮，縮減了空間站的功能和規(guī)模，在此情況下桁架掛艙式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢并不突出，且建造和維護(hù)較為復(fù)雜，需要數(shù)十次發(fā)射才能完成部署；同時由于各艙段不具備可替換性，整個系統(tǒng)十分龐大且昂貴。

蘇聯(lián)解體后，俄羅斯于1993年加入“國際空間站”計劃，對于總體方案的控制力不足，主要工作針對俄羅斯艙段的設(shè)計。俄羅斯通過參與“國際空間站”項目，在曙光號建造、“聯(lián)盟”飛船座位等方面獲得了美國的資金，保持了本國載人航天能力延續(xù)發(fā)展。但從俄羅斯艙段的發(fā)展路徑看，1998－2001年主要部署了曙光號功能貨艙、星辰號服務(wù)艙、碼頭號對接艙，主要提供空間站運(yùn)行所需基本功能；在2009年、2010年才部署了搜索號、破曉號迷你研究艙，開展小規(guī)模在軌應(yīng)用；科學(xué)號多功能實驗艙由于經(jīng)費(fèi)、技術(shù)等原因，進(jìn)度多次拖延，從原計劃2009年發(fā)射推遲至2021年發(fā)射，距離“國際空間站”首個艙段部署達(dá)23年。在很長一段時間內(nèi)，俄羅斯從事空間站建造和維護(hù)相關(guān)工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于在軌應(yīng)用相關(guān)工作，取得效益相對有限。

停泊號節(jié)點艙對接（左）和進(jìn)步M飛船分離（右）

（2）擴(kuò)建完成后，俄羅斯艙段在軌能力大幅提升

隨著科學(xué)號多功能實驗艙、停泊號節(jié)點艙的部署，“國際空間站”俄羅斯艙段的能力大幅提升。

在任務(wù)能力方面，一是航天員支持能力增強(qiáng)，科學(xué)號多功能實驗艙為俄羅斯航天員增設(shè)了第3個鋪位、第2個衛(wèi)生間，此前由于缺乏工作和居住空間，俄羅斯若有3名航天員同時在軌則需要在美國艙段借宿，2017年俄羅斯將在軌航天員數(shù)量從3人減至2人，科學(xué)號成功部署后極大改善了航天員在軌生活與工作條件。二是對接能力增強(qiáng)，為了支持“聯(lián)盟”“進(jìn)步”飛船對接，滿足任務(wù)重疊期間的對接需求，“國際空間站”俄羅斯艙段保持有4個對接口可用，停泊號節(jié)點艙部署后，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)的對接/停泊口數(shù)量增加至8個，能夠進(jìn)一步提升未來任務(wù)的靈活性。

在應(yīng)用能力方面，“國際空間站”建造和運(yùn)營期間，俄羅斯長期面臨任務(wù)規(guī)模和應(yīng)用規(guī)模不匹配的問題，承擔(dān)了大量空間站建造和維護(hù)工作（任務(wù)人次數(shù)超過40%），但開展在軌應(yīng)用相對較少（實驗項目數(shù)約20%）。美國于2001年部署了命運(yùn)號實驗艙，歐洲、日本分別在2008年部署了哥倫布號、希望號實驗艙；而俄羅斯則在2009年、2010年部署了搜索號、破曉號迷你研究艙，但相關(guān)艙段規(guī)模較小，并非專用研究設(shè)施，兼具科學(xué)實驗、對接、出艙等多種功能，限制了俄羅斯開展在軌實驗的能力。新部署的科學(xué)號多功能實驗艙內(nèi)部及外部共設(shè)有30余個通用工位，將成為俄羅斯開展在軌實驗的主要場所；科學(xué)號利用載荷氣閘艙和歐洲機(jī)械臂，可以實現(xiàn)高度自動化操作，在艙內(nèi)即可遙控操作開展艙外實驗，大幅降低航天員執(zhí)行出艙任務(wù)的必要性，顯著提升空間站應(yīng)用效率。

（3）俄羅斯提前布局后“國際空間站”時代

運(yùn)動坎 持之以恒的運(yùn)動可以改善心臟功能，不要因為天氣寒冷而久臥不動。心臟功能不好的人要在太陽出來后再運(yùn)動，運(yùn)動強(qiáng)度要適當(dāng)，時間應(yīng)控制在1小時以內(nèi)，最好選擇散步、慢跑、打太極拳等運(yùn)動。遇大風(fēng)降溫天氣最好不出門運(yùn)動，可以在室內(nèi)適當(dāng)活動。

為了保持近地軌道載人航天活動的連續(xù)性，美國尋求“國際空間站”進(jìn)一步延壽，從2024年擴(kuò)展至2028/2030年。俄羅斯最初積極開展“國際空間站”延壽研究，但2019年至今，星辰號服務(wù)艙發(fā)生空氣泄漏事件后，俄羅斯在2021年4月提出由于艙段老化，計劃2025年開始建造獨(dú)立的俄羅斯軌道服務(wù)站。美國方面認(rèn)為，此舉是由于“載人龍”等商業(yè)載人飛船取得成功后，俄羅斯無法再通過向美國出售“聯(lián)盟”飛船座位獲得資金，因此以退出“國際空間站”計劃作為籌碼，讓美國承擔(dān)未來空間站延壽的資金。

無論“國際空間站”延壽與否，國外均已著眼后“國際空間站”時代，開展提前研究和布局。俄羅斯方面，最初提出在“國際空間站”退役后，以俄羅斯艙段新部署的科學(xué)號、停泊號等為基礎(chǔ)，構(gòu)建獨(dú)立的軌道飛行與實驗空間站（OPSEK），除了開展近地軌道載人航天活動外，還能夠支持載人月球和深空探測，因此，科學(xué)號、停泊號等艙段在設(shè)計時均考慮了未來獨(dú)立建站的需求。隨后，該計劃被俄羅斯軌道服務(wù)站取代，首個艙段為原先計劃部署到“國際空間站”的科學(xué)-動力艙。俄羅斯軌道服務(wù)站計劃采用開放式構(gòu)型，當(dāng)某一艙段資源/壽命耗盡后，可以用新的艙段替換，通過逐漸定期更新，空間站將具備永久在軌工作能力。

（4）俄羅斯具備較強(qiáng)應(yīng)急處置能力

俄羅斯在“國際空間站”擴(kuò)建任務(wù)過程中，多次發(fā)生異常事件，地面控制人員及時有效處置，成功化解危機(jī)，確保了任務(wù)成功和航天員安全。

在科學(xué)號發(fā)射后，高壓燃料罐和低壓燃料罐提前進(jìn)行壓力平衡，壓力超過主發(fā)動機(jī)工作范圍，主發(fā)動機(jī)無法工作，與“國際空間站”交會對接任務(wù)面臨挑戰(zhàn)。俄羅斯地面控制人員研究后，首先利用小推力發(fā)動機(jī)點火進(jìn)行初步軌道機(jī)動，消耗部分燃料后，燃料罐壓力降至可工作范圍，主發(fā)動機(jī)再行點火，最終實現(xiàn)與“國際空間站”交會。

科學(xué)號對接后，推進(jìn)系統(tǒng)突然進(jìn)行異常點火導(dǎo)致空間站失穩(wěn)，翻轉(zhuǎn)約1.5圈。地面控制中心及時決策，首先要求航天員關(guān)閉舷窗，避免推進(jìn)劑污染舷窗表面；之后根據(jù)航天員報告，及時關(guān)注周圍碎片情況，避免撞擊風(fēng)險；同時沒有過分干預(yù)，有序利用各個姿控系統(tǒng)恢復(fù)空間站姿態(tài)，避免過度操作導(dǎo)致進(jìn)一步失控。

在常規(guī)運(yùn)行期間，以航天員安全為第一原則，始終注重保持應(yīng)急登船通道暢通。俄羅斯將“聯(lián)盟”載人飛船優(yōu)先對接于科學(xué)號、破曉號，航天員出艙、關(guān)閉星辰號尾段艙門等并不影響應(yīng)急通道的建立，緊急情況下，航天員可以最快速度撤離至“聯(lián)盟”飛船避險。

（5）俄羅斯航天工業(yè)管理問題嚴(yán)峻

在研制階段，科學(xué)號發(fā)生多項缺陷，包括燃料管道中發(fā)現(xiàn)金屬屑、金屬屑擴(kuò)散至燃料箱、燃料箱泄漏等，直接導(dǎo)致科學(xué)號多功能實驗艙研制進(jìn)度大幅推遲，從最早計劃2009年發(fā)射多次推遲到2021年，停泊號2014年完成研制后被迫長期封存。在發(fā)射場測試階段，科學(xué)號安裝整流罩時，敏感器未包裹隔熱材料，導(dǎo)致重新退回廠房。在運(yùn)行階段，科學(xué)號發(fā)射后由于軟件錯誤致使主發(fā)動機(jī)無法工作，與“國際空間站”對接后，錯誤執(zhí)行了指令，推進(jìn)系統(tǒng)異常點火導(dǎo)致空間站姿態(tài)失穩(wěn)等。

事故、異常或問題發(fā)生在從研制到測試、再到運(yùn)行的各個階段，影響了艙段部署進(jìn)度，并對系統(tǒng)運(yùn)行、空間站安全帶來了不利影響，折射出俄羅斯航天工業(yè)管理問題，質(zhì)量形勢較為嚴(yán)峻。

4 結(jié)束語

科學(xué)號多功能實驗艙、碼頭號節(jié)點艙發(fā)射后，不僅豐富了“國際空間站”俄羅斯艙段的實驗設(shè)備，同時豐富了實驗手段，大幅提升俄羅斯在軌應(yīng)用能力。與此同時，在俄羅斯新艙段的研制和部署任務(wù)中，存在諸多問題，包括科學(xué)號項目從立項到成功發(fā)射經(jīng)歷二十余年，導(dǎo)致項目后期不斷出現(xiàn)系統(tǒng)老化、零件過期等問題，造成大量的人力物力損耗；任務(wù)實施一波三折，在發(fā)射前發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵敏感器件缺乏熱防護(hù)，發(fā)射后出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，軟件錯誤導(dǎo)致主發(fā)動機(jī)無法點火，對接后異常點火導(dǎo)致空間站翻轉(zhuǎn)等。俄羅斯在項目管理、質(zhì)量管控、應(yīng)急處置等方面的經(jīng)驗教訓(xùn)值得思考。