聯(lián)盟飛船故障與救援任務(wù)分析

宋國梁 吳之堯

（1北京空間科技信息研究所 2中國航天科技國際交流中心）

北京時間2023年2月24日8:24，俄羅斯從拜科努爾航天發(fā)射場利用聯(lián)盟－2.1a（Soyuz－2.1a）運(yùn)載火箭成功發(fā)射聯(lián)盟MS－23（Soyuz MS－23）載人飛船。飛船以全自動模式發(fā)射，采用2天交會對接方案上行，成功與“國際空間站”（ISS）對接。

1 聯(lián)盟MS－23任務(wù)概況

此次任務(wù)為“聯(lián)盟”系列飛船的第151次任務(wù)，“聯(lián)盟MS”飛船的第23次發(fā)射任務(wù)。

任務(wù)過程

聯(lián)盟－2.1a運(yùn)載火箭點(diǎn)火后，成功將聯(lián)盟MS－23飛船送入預(yù)定軌道。飛船發(fā)射48小時35分鐘后，成功與“國際空間站”搜索號（Poisk）迷你研究艙天頂點(diǎn)對接。

俄羅斯航天國家集團(tuán)（ROSCOSMOS）表示，本次任務(wù)交會對接過程中，“國際空間站”上的航天員無須手動對接聯(lián)盟MS－23飛船。此次聯(lián)盟MS－23飛船采用無人模式，在兩天時間內(nèi)飛船通過緩慢變軌可以節(jié)省大量推進(jìn)劑，將儲備足夠進(jìn)行多次對接嘗試的推進(jìn)劑，在第一次自動交會對接沒有成功時還可以轉(zhuǎn)入其他艙段對接口進(jìn)行第二次嘗試，而無需手控遙操作支持，把風(fēng)險(xiǎn)降至最低水平。

站上活動與應(yīng)用情況

本次任務(wù)以全自動模式發(fā)射無人的聯(lián)盟MS－23飛船前往“國際空間站”，代替發(fā)生冷卻劑泄漏的聯(lián)盟MS－22飛船將航天員送回地球，包括俄羅斯航天員謝爾蓋·普羅科皮耶夫（Sergey Prokopyev）、德米特里·佩特林（Dmitry Petelin）和美國航天員弗朗西斯科·盧比奧（Francisco Rubio）。經(jīng)過評估，俄羅斯判斷聯(lián)盟MS－22飛船的散熱器無法實(shí)現(xiàn)自行冷卻功能，飛船已于2023年3月28日以無人狀態(tài)返回地球。

此外，聯(lián)盟MS－23飛船向“國際空間站”運(yùn)送了429kg貨物，包括醫(yī)療檢查設(shè)施、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和食品等物品，其中食物的數(shù)量是平時的3倍。按計(jì)劃，聯(lián)盟MS－22飛船乘組將延期駐留至2023年9月，即任務(wù)延伸覆蓋了原聯(lián)盟MS－23飛船乘組的駐留時段。延長駐留期間，聯(lián)盟MS－22飛船乘組的俄羅斯航天員普羅科皮耶夫和佩特林將繼續(xù)完成計(jì)劃內(nèi)的工作，并可能執(zhí)行由原聯(lián)盟MS－23飛船乘組完成的艙外活動任務(wù)。

2 聯(lián)盟MS－22飛船冷卻劑泄漏最新進(jìn)展

聯(lián)盟MS－22載人飛船狀態(tài)

聯(lián)盟MS－22載人飛船散熱器內(nèi)的44升冷卻劑大部分均已泄漏，散熱器上存在一個0.8mm直徑的泄漏孔。冷卻劑泄漏可能會導(dǎo)致飛船返回艙溫度升高，這不僅會在飛船返回地球期間影響航天員的狀況，還會影響飛船的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。此外，由于航天員難以通過艙外活動到達(dá)聯(lián)盟MS－22飛船所處位置，無法重新將冷卻劑填充進(jìn)散熱器并修復(fù)泄漏，地面工作人員排除了在軌修理聯(lián)盟MS－22飛船的可能性。

2023年3月28日，聯(lián)盟MS－22飛船以無人狀態(tài)離開“國際空間站”，約2小時后飛船成功返回哈薩克斯坦著陸場。飛船共帶回了218kg的貨物，包括科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及設(shè)備。

泄漏原因分析

北京時間2022年12月15日，對接在“國際空間站”上的俄羅斯聯(lián)盟MS－22載人飛船發(fā)生冷卻劑泄漏事件。ROSCOSMOS和NASA確認(rèn)外部溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的散熱器冷卻回路是泄漏源，經(jīng)過ROSCOSMOS調(diào)查，最終得出的結(jié)論是散熱器上的孔洞可能是由一顆微流星體以7km/s的速度撞擊飛船造成的，導(dǎo)致飛船大量冷卻劑泄漏，相關(guān)的地面測試也證實(shí)了這一假設(shè)。

巧合的是，俄羅斯另一艘對接在“國際空間站”上的進(jìn)步MS－21（Progress MS-21）貨運(yùn)飛船于2023年2月11日出現(xiàn)了與聯(lián)盟MS－22飛船類似的冷卻劑泄漏故障。ROSCOSMOS決定將原計(jì)劃于2月20日發(fā)射的聯(lián)盟MS－23任務(wù)推遲至2月24日發(fā)射，給調(diào)查人員留出時間研究進(jìn)步MS－21飛船的冷卻劑泄漏故障。根據(jù)進(jìn)步MS－21飛船從空間站脫離時拍攝的圖像顯示，飛船散熱器存在一個直徑12mm的泄漏孔。工作人員檢查了飛船生產(chǎn)、發(fā)射設(shè)施，并在進(jìn)步MS－21飛船脫離空間站前對飛船開展嚴(yán)密檢查，最終ROSCOSMOS發(fā)布了一份聲明，將本次貨運(yùn)飛船的冷卻劑漏洞歸咎于“外部影響”，稱其與聯(lián)盟MS－22飛船經(jīng)歷的泄漏類似，這兩起事件是由于不相關(guān)的兩次微流星體撞擊造成的，而并非飛船的內(nèi)部故障。

美國國家航空航天局（NASA）尚未就進(jìn)步MS－21飛船的初步受損評估與ROSCOSMOS進(jìn)行討論，但NASA表示，“外部影響”并不一定意味著微流星體或軌道碎片撞擊，也有可能是在飛船飛行過程中產(chǎn)生的“外部影響”，包括發(fā)射、船箭分離等階段飛船受到影響或損害。此外，NASA表示目前沒有跡象表明“國際空間站”所處環(huán)境的微流星體有所增加。

采取措施

盡管美國和俄羅斯都認(rèn)為聯(lián)盟MS－22飛船制造過程中沒有出現(xiàn)問題，散熱器的泄漏孔不是由于飛船產(chǎn)品質(zhì)量造成的，但作為預(yù)防措施，技術(shù)人員對聯(lián)盟MS－23飛船上的散熱器進(jìn)行了多重檢查，確保后續(xù)聯(lián)盟號飛船的產(chǎn)品安全。

此外，NASA也采取了相應(yīng)的預(yù)防措施，對?？吭凇皣H空間站”的“載人龍”（Crew Dragon）飛船的外部進(jìn)行了檢查，目前沒有發(fā)現(xiàn)微流星體或軌道碎片造成損壞的證據(jù)。NASA表示已經(jīng)將這種外部撞擊檢查作為正式的規(guī)則，未來每次任務(wù)都會做類似檢查。與“聯(lián)盟MS”飛船不同，“載人龍”有兩個獨(dú)立的散熱器回路，如果其中一個損壞，另一個可以提供冗余散熱。

3 撤離方案制定及后續(xù)影響

常規(guī)撤離方案

2023年1月11日，NASA和ROSCOSMOS聯(lián)合舉行了一次電話會議。ROSCOSMOS在會議上宣布計(jì)劃于2月20日（實(shí)際于2月24日）向“國際空間站”以全自動模式發(fā)射無人的聯(lián)盟MS－23飛船，代替聯(lián)盟MS－22飛船將航天員送回地球，而聯(lián)盟MS－22飛船以無人狀態(tài)返回地球。根據(jù)計(jì)劃，聯(lián)盟MS－23飛船搭載一些貨物前往“國際空間站”，航天員利用1～2周的時間將相關(guān)設(shè)備從聯(lián)盟MS－22飛船轉(zhuǎn)移至聯(lián)盟MS－23飛船，同時在聯(lián)盟MS－22飛船中安裝溫度監(jiān)測設(shè)備并放置其他需要返回地球且對過熱不敏感的貨物。目前聯(lián)盟MS－23飛船已成功對接至“國際空間站”，航天員將采用常規(guī)撤離方案返回地球。

緊急情況撤離方案

在電話會議記者提問環(huán)節(jié)，當(dāng)被問及如果在聯(lián)盟MS－23飛船到達(dá)“國際空間站”前發(fā)生了空間站人員需要緊急撤離的情況如何處理時，NASA和ROSCOSMOS表示會啟用聯(lián)盟MS－22飛船與“載人龍”飛船共同進(jìn)行撤離，屆時至少會有1名聯(lián)盟MS－22飛船的航天員搭乘“載人龍”飛船撤離。

NASA強(qiáng)調(diào)，該計(jì)劃只適用于必須撤離“國際空間站”的緊急情況，NASA與美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）討論是否有可能讓更多航天員通過“載人龍”飛船送回地球，雖然“載人龍”飛船在設(shè)計(jì)上可以搭載7名航天員，但NASA沒有批準(zhǔn)過該型飛船執(zhí)行7人載人航天任務(wù)，SpaceX公司也沒有利用“載人龍”飛船執(zhí)行過超過4人的飛行任務(wù)。

聯(lián)盟MS－22飛船在載人緊急撤離時，在失去熱控系統(tǒng)情況下，根據(jù)其飛行軌道、太陽照射角度、回程時間和船上人數(shù)，乘員艙內(nèi)的溫度和濕度可能會超過規(guī)定值，同時數(shù)字飛行控制系統(tǒng)也可能會出現(xiàn)故障。但即使在這種情況下，俄羅斯工程師認(rèn)為隨著航天員乘組規(guī)模減小，可以降低聯(lián)盟MS－22飛船的熱負(fù)荷，飛船的過熱風(fēng)險(xiǎn)會隨之下降，聯(lián)盟MS－22飛船能夠依靠備份的模擬控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全著陸。

后續(xù)影響

聯(lián)盟MS－22飛船泄漏事件發(fā)生后，經(jīng)過地面控制團(tuán)隊(duì)評估，泄漏的方向使得冷卻劑不會污染“國際空間站”的外表面，比如太陽能電池陣列或舷窗，所以泄漏不會對航天員和空間站本身造成安全隱患，“國際空間站”的艙外活動已恢復(fù)正常。

隨著俄羅斯應(yīng)急發(fā)射聯(lián)盟MS－23飛船前往“國際空間站”送回航天員，對后續(xù)一系列飛船發(fā)射和返回計(jì)劃造成影響：

1）由于聯(lián)盟MS－23飛船以無人狀態(tài)發(fā)射，原計(jì)劃搭載聯(lián)盟MS－23飛船前往“國際空間站”的俄羅斯航天員奧列格·科諾涅科、尼古拉·丘布以及美國航天員洛拉爾·奧哈拉被重新分配到聯(lián)盟MS－24任務(wù)；

2）由于將乘坐聯(lián)盟MS－23飛船返回地球，俄羅斯航天員謝爾蓋·普羅科皮耶夫、德米特里·佩特林以及美國航天員弗朗西斯科·盧比奧的返回時間將從2023年3月推遲到大約2023年9月；

3）因?yàn)槎砹_斯載人航天計(jì)劃的變化，NASA重新審查了“國際空間站”任務(wù)時間表，主要包括“載人龍”Crew－6乘員運(yùn)輸任務(wù)，Crew－6任務(wù)于3月2日發(fā)射，比原計(jì)劃延遲了約一周。

4 發(fā)射救生飛船的決策原則和邏輯分析

救援決策制定

根據(jù)ROSCOSMOS總裁鮑里索夫的官方聲明，“根據(jù)對飛船狀況、熱模擬和技術(shù)文件的分析”，判定受損的聯(lián)盟MS－22飛船不適合搭載航天員返回地球。聯(lián)盟MS－22飛船只有在“國際空間站”出現(xiàn)特別危急的情況下，并且通過俄羅斯聯(lián)邦委員會的決議，才能搭載航天員返回地球。2023年1月10日，參加科羅廖夫能源火箭航天集團(tuán)（RKK Energia）首席設(shè)計(jì)師委員會會議的NASA代表同意該計(jì)劃，并承諾支持該計(jì)劃。

經(jīng)鮑里索夫證實(shí)，ROSCOSMOS已評估過由一名指令長駕駛聯(lián)盟MS－23飛船前往“國際空間站”的方案。若采用該方案，兩名俄羅斯航天員將搭乘MS－23飛船返回地球，一名美國航天員將搭乘“載人龍”飛船返回地球。但該方案最終沒有通過，原因是為這種飛行模式配置飛船、準(zhǔn)備必要的文件和培訓(xùn)航天員需要額外時間，聯(lián)盟MS－23飛船將推遲到2023年3月初發(fā)射。

在此之前，蘇聯(lián)禮炮號（Salyut）空間站也曾出現(xiàn)類似情況。1979年4月10日，聯(lián)盟－33飛船發(fā)射升空，在飛船最后一次變軌機(jī)動時，飛船搖晃，在二次點(diǎn)火后發(fā)動機(jī)熄滅，航天員發(fā)現(xiàn)主發(fā)動機(jī)側(cè)面有異?；鸸?，地面遙測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)是主發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障。為保證航天員安全，地面控制中心要求飛船使用備用發(fā)動機(jī)返回地面。

此前對接在禮炮號空間站上的聯(lián)盟－32飛船與聯(lián)盟－33飛船使用相同的發(fā)動機(jī)，由于聯(lián)盟－33飛船發(fā)動機(jī)故障，禮炮號空間站的航天員乘組缺乏可靠的返回飛船。1979年6月6日，蘇聯(lián)發(fā)射無人駕駛的聯(lián)盟－34飛船對接到禮炮號空間站，該飛船使用的發(fā)動機(jī)經(jīng)過重新設(shè)計(jì)測試，將兩名航天員送回地球。而聯(lián)盟－32飛船在無人駕駛情況下返回地面。

救援邏輯分析

按照慣例，航天員一般乘坐相同的飛船完成發(fā)射和返回任務(wù)，因?yàn)楹教靻T本身對于同一艘飛船的狀態(tài)比較熟悉。另外目前一般在軌的載人飛船設(shè)計(jì)壽命為6～7個月，在對應(yīng)航天員乘組完成任務(wù)的同時飛船基本也已經(jīng)達(dá)到其正常的壽命要求，所以這也要求航天員搭乘相同飛船返回?？偨Y(jié)蘇聯(lián)/俄羅斯兩次發(fā)射無人飛船前往空間站送回航天員情況，聯(lián)盟－34飛船代替聯(lián)盟－32飛船送回航天員，主要由于聯(lián)盟－33飛船發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障，而聯(lián)盟－32使用與聯(lián)盟－33相同發(fā)動機(jī)，在發(fā)動機(jī)可靠性存在不確定性情況下，繼續(xù)使用聯(lián)盟－32飛船將航天員送回地球?qū)⒚媾R巨大風(fēng)險(xiǎn)；而聯(lián)盟MS－23代替聯(lián)盟MS－22飛船送回航天員，主要由于聯(lián)盟MS－22飛船散熱器中冷卻劑完全泄漏，繼續(xù)使用聯(lián)盟MS－22飛船將航天員送回地球可能會面臨溫度及濕度超過規(guī)定值，并對計(jì)算機(jī)等電子系統(tǒng)造成影響。綜合分析兩次發(fā)射無人飛船情況，都是現(xiàn)有對接飛船出現(xiàn)異常故障或風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)管理機(jī)構(gòu)組織研判及評估，在確認(rèn)繼續(xù)利用存在異常飛船返回地球會對航天員安全造成嚴(yán)重威脅時，緊急更改發(fā)射計(jì)劃，發(fā)射可靠性和安全性不存在隱患的飛船接回空間站航天員。

本次聯(lián)盟MS－23飛船和聯(lián)盟－34飛船接回航天員任務(wù)還存在其他不同，聯(lián)盟－34飛船是接回禮炮號空間站上的蘇聯(lián)航天員，而“國際空間站”作為多國合作項(xiàng)目，聯(lián)盟MS－23飛船要接回空間站上的俄羅斯和美國航天員，航天員在緊急情況下也可同時選擇聯(lián)盟MS飛船和“載人龍”飛船撤離?？紤]到聯(lián)盟MS飛船的安全冗余度設(shè)計(jì)，航天員可以在不適的條件下繼續(xù)強(qiáng)行乘坐聯(lián)盟MS－22飛船返回地球，但無疑這樣面臨的風(fēng)險(xiǎn)會大幅提高，所以NASA和ROSCOSMOS都強(qiáng)調(diào)這是在不得不撤離“國際空間站”的緊急情況下才會這樣抉擇。

5 結(jié)束語

保證航天員的生命健康是載人航天工程最根本的要求。本次聯(lián)盟MS－23任務(wù)最主要的目的是作為救援飛船，將“國際空間站”上的航天員送回地球。此次故障考驗(yàn)了俄羅斯在現(xiàn)有對接飛船出現(xiàn)異常故障或風(fēng)險(xiǎn)情況下，發(fā)射新飛船完成救援任務(wù)的能力。同時，本次故障也凸顯了空間站安全運(yùn)行問題的嚴(yán)峻性。在空間碎片不斷增加、低軌大規(guī)模星座爆發(fā)式增長的背景下，空間站需要持續(xù)提升空間碎片監(jiān)測能力，最大可能規(guī)避碰撞風(fēng)險(xiǎn)。