朱仁璋 王鴻芳 肖清 徐宇杰

（1 南京大學(xué)，南京 210093）

（2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

（3 北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

1 引言[1-16]

在將近半個世紀(jì)的歲月中，蘇/俄在地球軌道運輸飛船與空間站領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。對于開拓天疆的航天先驅(qū)者而言，挫折、失敗甚至付出生命的代價，實難避免。像富于創(chuàng)新精神的美國人一樣，蘇/俄人民同樣為人類探索宇宙作出了開創(chuàng)性的巨大貢獻(xiàn)。

1957年10月，蘇聯(lián)將齊奧科夫斯基的航天理論變?yōu)楝F(xiàn)實，發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星，并在不到4年的時間內(nèi)實現(xiàn)了載人空間飛行。在聯(lián)盟-1航天員犧牲半年后的1967年10月，宇宙-186與宇宙-188（不載人“聯(lián)盟”原型飛船）成功實現(xiàn)世界上首次兩艘飛船之間的自動交會對接。1969年1月，蘇聯(lián)成功執(zhí)行了聯(lián)盟-4與聯(lián)盟-5交會對接與乘員艙外轉(zhuǎn)移使命，這是蘇聯(lián)首次載人對接。1971年，聯(lián)盟-10飛船應(yīng)用自動交會對接系統(tǒng)，進(jìn)入禮炮-1空間站180m 范圍內(nèi)；隨后，一名航天員掌控飛船完成對接。

在經(jīng)歷1971年6月聯(lián)盟-11失事（導(dǎo)致3名航天員喪生）的重挫后，蘇聯(lián)將“聯(lián)盟”改型為執(zhí)行單一運輸使命的“聯(lián)盟渡船”，并在1973-1974年進(jìn)行了幾次飛行，準(zhǔn)備1975年7月的“阿波羅-聯(lián)盟號試驗項目”（ASTP）飛行。在“阿波羅-聯(lián)盟號試驗項目”最初的對接過程中，“阿波羅”作為主動飛行器；而在之后的使命中，聯(lián)盟號作為主動飛行器，進(jìn)行兩艘飛船的分離與再對接。1975年9月，宇宙-772（無人聯(lián)盟號飛船）自動對接禮炮-4空間站，以驗證自動交會對接技術(shù)，用于未來的無人飛行（如進(jìn)步號貨運飛船）。

在20世紀(jì)70年末、80年代初，“聯(lián)盟”飛船發(fā)展為聯(lián)盟號載人飛船與進(jìn)步號貨運飛船兩個系列，分別為空間站提供乘員運送與物資補(bǔ)給服務(wù)。1978年1月，第一艘進(jìn)步號貨運飛船同禮炮-6空間站對接并轉(zhuǎn)移燃料。自此，聯(lián)盟號和進(jìn)步號系列飛船與蘇/俄空間站計劃一同發(fā)展，成為可靠、有效的空間運輸系統(tǒng)。聯(lián)盟號和進(jìn)步號系列飛船不僅為“國際空間站”（ISS）的組裝與運作作出巨大貢獻(xiàn)；而且在美國航天飛機(jī)退役后，聯(lián)盟號飛船成為目前向“國際空間站”運送航天員的唯一工具，進(jìn)步號飛船與歐洲航天局“自動轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）及日本“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”（HTV）一起，組成“國際空間站”物資運輸船隊。

在蘇聯(lián)空間規(guī)劃進(jìn)程中，自動對接系統(tǒng)日趨成熟。早期的“指針”（Igla）交會導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)被現(xiàn)在的“航向”（Kurs）交會導(dǎo)航系統(tǒng)代替。這兩個系統(tǒng)都是雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)天線信號的強(qiáng)度變化計算航天器間的相對位置。聯(lián)盟號和進(jìn)步號飛船向空間站的交會逼近，采用雙共橢圓軌道與繞飛策略。

現(xiàn)在，俄羅斯已在研制接替聯(lián)盟號和進(jìn)步號飛船的新一代運輸系統(tǒng)，這不僅將有力地增強(qiáng)地球軌道運輸能力，而且直指俄羅斯未來的載人月球使命與載人火星使命。

2 聯(lián)盟號與進(jìn)步號飛船簡史

從20世紀(jì)60年代初計劃的“聯(lián)盟繞月飛行器”中的聯(lián)盟-A開始，蘇/俄飛船歷經(jīng)改進(jìn)，演變?yōu)樵S多型號。航天器型號的設(shè)計編號（如7K，7K-OK 等）是科羅廖夫設(shè)計局（OKB-1）建立的，所有聯(lián)盟號與進(jìn)步號飛船都應(yīng)用“7K”編號，表示由該局設(shè)計的第7類載人或與載人相關(guān)的飛行器，“K”在俄語中代表корабль（飛船）。在蘇聯(lián)解體后，這種編號方法就不再使用了。圖1描述了作為空間站運輸工具的聯(lián)盟號與進(jìn)步號飛船的主要發(fā)展歷程。

圖1 蘇/俄聯(lián)盟號系列載人飛船與進(jìn)步號系列貨運飛船的主要型號Fig.1 Main variants of Soviet/Russian Soyuz/Progress as transport spacecraft

2.1 早期月球計劃與聯(lián)盟-A[8-9]

2.1.1 聯(lián)盟繞月建議

“聯(lián)盟繞月飛行器”（Soyuz Circumlunar Spacecraft，SCS）建議是1962年蘇聯(lián)科羅廖夫設(shè)計局總設(shè)計師科羅廖夫（S.P.Korolev，1907-1966）提出的，1964年被取消。“聯(lián)盟繞月飛行器”的設(shè)計目的是將航天員送入繞月飛行軌道，它由3艘飛船組成（見圖2），即聯(lián)盟-A、聯(lián)盟-B與聯(lián)盟-V。其中：聯(lián)盟-A是載人飛船，可將一名航天員送入地球軌道，并與已在軌運行的聯(lián)盟-V（空中軌道加注飛船）對接，補(bǔ)充加注燃料；聯(lián)盟-B 實際上只是一個助推火箭，一旦3艘飛船在軌對接在一起，聯(lián)盟-B 發(fā)動機(jī)就點火，將組合飛行器送入地月轉(zhuǎn)移軌道。

值得注意的是，聯(lián)盟-A為以后聯(lián)盟號載人飛船的設(shè)計打下了基礎(chǔ)：①聯(lián)盟-A采用3艙構(gòu)型，即由下降艙、軌道艙與推進(jìn)艙組成；②聯(lián)盟-A下降艙應(yīng)用燒蝕防熱結(jié)構(gòu)；③聯(lián)盟-A軌道艙可作為航天員出艙的氣閘艙。

圖2 “聯(lián)盟繞月飛行器”[8]Fig.2 Soyuz Circumlunar Spacecraft

2.1.2 科羅廖夫登月計劃

科羅廖夫的登月計劃在“聯(lián)盟繞月飛行器”取消后提出，整個飛行器由軌道器、著陸器與助推器三部分組成。其飛行程序如下：①飛行器進(jìn)入地球軌道后，助推器點火將飛行器送入地月轉(zhuǎn)移軌道；到達(dá)月球引力范圍后，助推器再次點火，進(jìn)入月球軌道。②在月球軌道上，一名航天員離開軌道器，通過艙外太空行走進(jìn)入著陸器；然后，著陸器與軌道器和助推器的組合體分離，下降到月球表面，而另一名航天員留在軌道器內(nèi)。③月面使命結(jié)束后，著陸器搭載登月航天員返回到月球軌道，并和軌道器與助推器的組合體交會對接；登月航天員經(jīng)由艙外行走從著陸器回到軌道器，與同伴會合。④助推器再次點火，進(jìn)入返回地球的轉(zhuǎn)移軌道。這項載人登月計劃在1963年12月獲批，導(dǎo)致聯(lián)盟-A重新設(shè)計，并被命名為“聯(lián)盟”。登月使命計劃應(yīng)用聯(lián)盟號飛船在地球軌道進(jìn)行交會對接試驗（類似美國“雙子座”飛船）。1970年，在美國“阿波羅”飛船成功登月后，這項登月計劃被中止。

2.1.3 “聯(lián)盟探測器”

“聯(lián)盟探測器”（Soyuz Zond，見圖3）的設(shè)計目的是向月球載運航天員并返回地球。這項設(shè)計基于聯(lián)盟-A與“聯(lián)盟”飛船，基本上是從“聯(lián)盟”飛船的設(shè)計中剝離下來的，僅含服務(wù)艙與下降艙，沒有前面的軌道艙（生活艙）。在原軌道艙位置安裝了一個錐形對接環(huán)與一副突出的大型天線；此外，“聯(lián)盟探測器”裝備新型發(fā)動機(jī)，以滿足地月轉(zhuǎn)移的動力需求。“聯(lián)盟探測器”有兩個型號，即7K-L1P（用于繞月使命）與7K-L1S（用 于 登月 使 命）。1968年9月15日，“聯(lián)盟探測器”成功執(zhí)行了世界上首次繞月飛行。所有“聯(lián)盟探測器”飛行都是無人的，這個項目在1970年隨蘇聯(lián)登月計劃的終止而被取消。

圖3 “聯(lián)盟探測器”飛船[9]Fig.3 Soyuz Zond spacecraft

2.2 聯(lián)盟號載人飛船系列[8-12，17-22]

2.2.1 “聯(lián)盟”飛船

“聯(lián)盟”飛船具有高度機(jī)動能力，可乘坐3名航天員，在地球軌道執(zhí)行交會對接與太空行走運作，支持載人登月計劃?！奥?lián)盟”飛船沿襲聯(lián)盟-A的3艙構(gòu)型，外觀與聯(lián)盟-A相似，只是軌道艙外形更像葡萄，而不是原來的圓筒形。軌道艙頂端是柱形對接環(huán)，下降艙與服務(wù)艙使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相連，而舍棄笨重的連接環(huán)?！奥?lián)盟”飛船采用桿錐對接系統(tǒng)，有兩個型號，分別裝備對接系統(tǒng)主動部分與被動部分?！奥?lián)盟”飛船的對接系統(tǒng)不允許航天員在內(nèi)部從一艘飛船轉(zhuǎn)移到另一艘飛船，轉(zhuǎn)移須通過艙外太空行走實現(xiàn)。1967年4月聯(lián)盟-1失事，此后曾多次進(jìn)行宇宙號（無人）飛船對接試驗，為后來的載人飛行掃清道路。1969年1月，聯(lián)盟-4與聯(lián)盟-5成功執(zhí)行了交會對接與航天員艙外轉(zhuǎn)移使命（見圖4）。

圖4 將要對接的聯(lián)盟-4與聯(lián)盟-5飛船示意圖[11]Fig.4 Drawing of Soyuz-4and Soyuz-5about to docking

在蘇聯(lián)中止登月計劃后，“聯(lián)盟”飛船附加改進(jìn)的對接系統(tǒng)（對接后可形成內(nèi)部轉(zhuǎn)移通道），并將軌道艙由工作區(qū)轉(zhuǎn)為貯物區(qū)，為禮炮號空間站服務(wù)。1971年4月19日，世界上第一個空間站禮炮-1發(fā)射；4月23日，3名航天員乘坐聯(lián)盟-10飛向空間站。聯(lián)盟-10飛船雖然與禮炮-1 空間站成功對接，但乘員未能進(jìn)入空間站，而是在被迫解除對接后返回地球。1971年6月，聯(lián)盟-11飛船與禮炮-1空間站對接，乘員進(jìn)入空間站；但在返回過程中下降艙泄漏，導(dǎo)致3名航天員喪生。這次災(zāi)難性事故迫使“聯(lián)盟”飛船全面修改設(shè)計，并將飛船功能僅限于為空間站提供運輸服務(wù)，這就是“聯(lián)盟渡船”。2.2.2 “聯(lián)盟渡船”型飛船

“聯(lián)盟渡船”（Soyuz Ferry，見圖5）功能單一，僅作為空間站乘員與供給品的運輸工具。與“聯(lián)盟”飛船相比，“聯(lián)盟渡船”的主要修改如下：①去掉太陽翼，改用蓄電池以增加貨運能力。這意味著，除非飛船與空間站對接，否則飛船的運作時間不超過4天。②應(yīng)用新的“指針”自動對接系統(tǒng)與禮炮號新的對接硬件。新對接硬件去掉了老的對接環(huán)，軌道艙縮短，但內(nèi)部容積不變。③吸取聯(lián)盟-11教訓(xùn)，航天員在發(fā)射與再入期間需穿上航天服，因此，乘員由3名（不穿航天服）減為2名（穿航天服）。1974年7月，“聯(lián)盟渡船”型飛船聯(lián)盟-14首次與禮炮-3（“鉆石”型軍用空間站）對接，并在空間站?？?6天。圖6為聯(lián)盟-26（“聯(lián)盟渡船”型）對接在禮炮-6空間站后對接口上。

圖5 “聯(lián)盟渡船”型飛船[11]Fig.5 Soyuz Ferry spacecraft

圖6 聯(lián)盟-26（“聯(lián)盟渡船”型）對接在禮炮-6空間站的后對接口上[8]Fig.6 Soyuz-26（a Soyuz Ferry spacecraft）being docked at the rear part of the Salyut-6space station

2.2.3 聯(lián)盟-ASTP飛船

聯(lián)盟-ASTP（見圖7）是為執(zhí)行聯(lián)盟號飛船與阿波羅飛船的聯(lián)合飛行使命（Apollo-Soyuz Test Project，ASTP）而研制的聯(lián)盟號系列飛船。聯(lián)盟-ASTP由“聯(lián)盟渡船”改型而來，其主要修改包括：①裝備新的ASTP通用對接系統(tǒng)；②改進(jìn)生命支持系統(tǒng)，可支持4名乘員；③裝備一組新設(shè)計的太陽翼。1975年7月，聯(lián)盟-19與阿波羅-18 先后發(fā)射，在軌成功進(jìn)行了交會對接與再對接飛行（見圖8）。

圖7 聯(lián)盟-ASTP飛船F(xiàn)ig.7 Soyuz-ASTP spacecraft

圖8 “阿波羅”飛船與聯(lián)盟-ASTP飛船的聯(lián)合飛行Fig.8 Join flight of Apollo and Soyuz-ASTP spacecraft

2.2.4 聯(lián)盟-T 飛船

聯(lián)盟-T 在“聯(lián)盟渡船”基礎(chǔ)上作出了很大的改進(jìn)，包括發(fā)動機(jī)系列、著陸火箭與發(fā)射逃逸塔。它可載運3人一組或2人一組的乘員以及貨物箱。其特點是：①裝備新型“氬”（Argon）數(shù)字計算機(jī)；②應(yīng)用全自動飛行控制系統(tǒng)；③與“聯(lián)盟渡船”相比，在服務(wù)艙重新安裝一對太陽翼。航天員特別喜歡的一項改進(jìn)是下降艙上的一對護(hù)罩。在再入地球大氣期間，護(hù)罩可下降覆蓋在下降艙的舷窗孔上。一旦下降艙的護(hù)罩被拋掉，航天員便可透過舷窗監(jiān)視著陸過程；而在以前，舷窗孔常在再入過程中被燒成炭黑，乘員不能通過舷窗觀察。另一項創(chuàng)新是，下降艙與服務(wù)艙組合體可與軌道艙分離，這不僅可作為解除對接故障的應(yīng)對措施，而且在需要時可使軌道艙?？吭诳臻g站，作為空間站的一個新艙段。

2.2.5 聯(lián)盟-TM 飛船

聯(lián)盟-TM（即聯(lián)盟-T Mir，見圖9）是為和平號（Mir）空間站運送乘員而設(shè)計的聯(lián)盟號系列飛船。和平號為組合式空間站，由多達(dá)5個禮炮號型空間站組成，這些艙段在中心體（核心艙）周圍對接為一體。為給這一新型空間站提供服務(wù)，蘇聯(lián)再次改進(jìn)聯(lián)盟號飛船，研制出聯(lián)盟-TM。聯(lián)盟-TM 裝備了新型“航向”交會雷達(dá)系統(tǒng)與新型計算機(jī)系統(tǒng)。這兩項新技術(shù)可使聯(lián)盟號飛船在任何相對姿態(tài)下與和平號空間站對接。

1987年2月6日，聯(lián)盟-TM 飛船首次發(fā)射，將兩名航天員送到約1年前發(fā)射的和平號空間站，執(zhí)行長達(dá)11個月的使命。兩名航天員于1987年4月11日進(jìn)行艙外活動，排除故障，完成了和平號空間站第一個擴(kuò)展艙段量子-1（Kvant-1）的安裝。1995年3月14日，聯(lián)盟TM-21發(fā)射，載運一名美國航天員飛向和平號空間站；1995年7月7日，在航天飛機(jī)首次與和平號空間站對接后，這名航天員乘坐亞特蘭蒂斯號（Atlantis）航天飛機(jī)返回地球。在這次使命中，“航向”系統(tǒng)在飛船與空間站的再對接中起到了重要作用。

圖9 聯(lián)盟-TM 飛船F(xiàn)ig.9 Soyuz-TM spacecraft

2.2.6 聯(lián)盟-TMA飛船

聯(lián)盟-TMA（見圖10）是聯(lián)盟-TM 的改進(jìn)型，作為“國際空間站”的救生船，可在軌運作200天。聯(lián)盟-TMA的基底比聯(lián)盟-TM 略寬，以適合美國航天員使用。雖然聯(lián)盟-TM 最初也用于相同的目的，但作為美國航天員的救生船尺寸略小，因為美國航天飛機(jī)乘員艙相對寬敞，所以對美國航天員的身高沒有限制，聯(lián)盟-TMA就解決了這個問題。

圖10 聯(lián)盟-TMA飛船側(cè)剖視圖[18]Fig.10 Aside cutaway view of Soyuz-TMA

2.2.7 聯(lián)盟TMA-M 飛船

2011年7月美國航天飛機(jī)退役，直到美國新的載人運輸器（如“獵戶座”（Orion）或“龍”（Dragon））投入使用前，在4～5年的時間內(nèi)，聯(lián)盟號飛船將是從地面到“國際空間站”往返運送航天員的唯一橋梁。為此，俄羅斯研制了新一代載人飛船聯(lián)盟TMA-M（見圖11），以滿足這一空檔期“國際空間站”的現(xiàn)實需求，并且可為未來更先進(jìn)的飛行器建造打下基礎(chǔ)。

圖11 聯(lián)盟TMA-M 側(cè)剖視圖[19]Fig.11 Aside cutaway view of Soyuz TMA-M

聯(lián)盟TMA-M是基于聯(lián)盟-TMA的新系列載人飛船，外部構(gòu)型與聯(lián)盟-TMA完全相同，但在“運動與導(dǎo)航控制系統(tǒng)”（SUDN）、“船上測量系統(tǒng)”（SBI）與“熱控系統(tǒng)”（SOTR）中，應(yīng)用現(xiàn)代電子器件與軟件，裝備了新的儀器設(shè)備或更先進(jìn)的系統(tǒng)（見圖12）。系統(tǒng)的升級或更新使飛船總質(zhì)量減少了70kg，且使地面裝配得到簡化。特別是，聯(lián)盟TMAM 擁有先進(jìn)的飛行控制計算機(jī)，并按“開放式體系結(jié)構(gòu)”建造，因此，聯(lián)盟TMA-M 也被非正式地稱為“數(shù)字聯(lián)盟”（Digital Soyuz）。

注：紅色代表“運動與導(dǎo)航控制系統(tǒng)”中的新硬件；綠色代表“船上測量系統(tǒng)”；藍(lán)色代表“熱控系統(tǒng)”。

2.3 進(jìn)步號貨運飛船系列[8，11，22-25]

2.3.1 “進(jìn)步”貨運飛船

為滿足空間站貨物供給與燃料補(bǔ)給需求，聯(lián)盟號系列飛船除作為載人飛船不斷改進(jìn)外，還改型為進(jìn)步號貨運飛船。1974年，“進(jìn)步”貨運飛船（見圖13）計劃獲得批準(zhǔn)。1978-1990年，“進(jìn)步”飛船共發(fā)射43次。1978年1月20日，進(jìn)步-1發(fā)射升空；2天后，進(jìn)步-1與禮炮-6空間站自動對接；2月6日，進(jìn)步-1脫離對接；2月8日，進(jìn)步-1降軌，再入大氣燒毀?！斑M(jìn)步”與“聯(lián)盟渡船”型飛船一樣，沒有太陽翼，但也只是外觀相似而已。飛船內(nèi)部有下列變化：①下降艙被一節(jié)油罐代替；②服務(wù)艙被擴(kuò)大，容納通常放在下降艙內(nèi)的控制與對接系統(tǒng)；③軌道艙改裝為貨艙，裝備一系列貨架與貨柜?！斑M(jìn)步”飛船可運輸2 300kg貨物，其中燃料可達(dá)998kg。

圖13 “進(jìn)步”貨運飛船構(gòu)型[8]Fig.13 Configuration of Progress cargo spacecraft

2.3.2 進(jìn)步-M 貨運飛船

1986年，蘇聯(lián)開始研制升級型“進(jìn)步”貨運飛船，被稱為進(jìn)步-M（見圖14）。其特點是：采用新的服務(wù)艙，改進(jìn)了飛行控制系統(tǒng)，以及增大了運輸能力。進(jìn)步-M 有一組太陽翼，飛船可獨立于空間站運作達(dá)30天。特別是蘇聯(lián)解體后，俄羅斯研發(fā)了人工操作對接系統(tǒng)，即“遙控操作交會單元”（Telerobotically Operated Rendezvous Unit，TORU），這個系統(tǒng)可由在空間站內(nèi)的航天員操作，控制向空間站逼近的進(jìn)步-M 飛船。1989年8月，第一艘進(jìn)步-M 飛船發(fā)射，飛向和平號空間站。

圖14 進(jìn)步-M 貨運飛船剖視圖[11]Fig.14 Acutaway drawing of Progress-M

2.3.3 進(jìn)步-M1貨運飛船

在俄羅斯成為“國際空間站”項目的成員國后，為了進(jìn)一步增大燃料運輸能力，進(jìn)步-M 被改進(jìn)為進(jìn)步-M1，可發(fā)射2 230kg貨物進(jìn)入太空，其中裝載燃料可達(dá)1 950kg（進(jìn)步-M 每次飛行僅能運輸1 200kg燃料）。新的數(shù)字飛行控制系統(tǒng)，與航向-MM（Kurs-MM）交會對接系統(tǒng)一起被引進(jìn)進(jìn)步-M1貨運飛船中，替代以前的“航向”系統(tǒng)型號。除了向“國際空間站”運輸貨物外，進(jìn)步-M1還將俄羅斯空間站對接艙運往“國際空間站”。進(jìn)步-M1還作為空間拖船，將退役的質(zhì)量達(dá)103t的和平號空間站向下拖進(jìn)地球大氣層。2000年2月，進(jìn)步-M1飛船發(fā)射，飛向和平號空間站；2000年8月，進(jìn)步M1-3發(fā)射，這是第一艘飛往“國際空間站”的進(jìn)步號飛船。2.3.4 進(jìn)步M-M 貨運飛船

新一代貨運飛船進(jìn)步M-M 的研制目的是：①為新型載人飛船聯(lián)盟TMA-M 更新系統(tǒng)進(jìn)行飛行試驗；②進(jìn)一步改進(jìn)進(jìn)步號貨運飛船的性能，提高運 輸 能 力。從2008年11月到2011年8月，進(jìn) 步M-M 共發(fā)射12次，其中，最后一次發(fā)射因運載火箭第三級推進(jìn)系統(tǒng)故障而失敗，未能進(jìn)入軌道。進(jìn)步M-M 裝備現(xiàn)代TsVN-101數(shù)字飛行控制系統(tǒng)，代替過時的Argon-16計算機(jī)，并應(yīng)用新的小型化無線電遙測系統(tǒng)MBITS。這些更新不僅使飛行控制系統(tǒng)更快、更有效地運作，而且船上電子器件的總質(zhì)量減少了75kg，電子器件總數(shù)減少了15個。此外，新控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、軟件架構(gòu)與性能，以及模塊化設(shè)計，使調(diào)整軟件以適應(yīng)新的敏感器更容易。

3 交會導(dǎo)航系統(tǒng)

聯(lián)盟號載人飛船與進(jìn)步號貨運飛船是蘇/俄空間站活動的運輸器。起初，這些航天器裝備“指針”交會對接導(dǎo)航系統(tǒng)；在20世紀(jì)80年代中期，蘇聯(lián)空間規(guī)劃應(yīng)用新的“航向”系統(tǒng)替代了“指針”系統(tǒng)。在向新系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的過程中，這兩個系統(tǒng)在和平號空間站都使用過，一個對接口應(yīng)用“航向”系統(tǒng)，另一個對接口應(yīng)用“指針”系統(tǒng)?，F(xiàn)在，“航向”系統(tǒng)支持聯(lián)盟號和進(jìn)步號飛船與“國際空間站”的交會對接運作。從目標(biāo)捕獲直至對接，“航向”系統(tǒng)提供所有必要的相對導(dǎo)航信息，包括測距、測距率、視線角，以及相對姿態(tài)測量數(shù)據(jù)。

除了上述交會雷達(dá)系統(tǒng)用于自動運作外，在聯(lián)盟號載人飛船上還使用手控裝置。在聯(lián)盟-4 與聯(lián)盟-5的對接使命中，航天員曾使用六分儀導(dǎo)航。在聯(lián)盟號飛船向空間站的交會逼近飛行中，手控器可作為備份，在應(yīng)急情況下使用。在空間站中裝備的“遙控操作交會單元”，可用于進(jìn)步號貨運飛船與空間站的交會對接。

3.1 “指針”雷達(dá)系統(tǒng)[9，26-27]

直到1986年之前，“指針”系統(tǒng)用于“聯(lián)盟”、聯(lián)盟-T 與進(jìn)步號飛船的所有型號。在飛船之間的交會對接中，“指針”系統(tǒng)可以機(jī)動目標(biāo)船姿態(tài)，使所選擇的對接口面向追蹤船，為追蹤船與目標(biāo)船的交會對接提供相對位置與相對姿態(tài)信息。

3.1.1 “指針”系統(tǒng)天線組成

在“聯(lián)盟”追蹤船與目標(biāo)船上裝備5種不同類型的射頻天線，分別標(biāo)為A、B、C、D、E，如圖15所示。

圖15 “指針”系統(tǒng)射頻天線[26]Fig.15 RF antennas of Igla system

（1）兩副A型天線安裝在目標(biāo)船上，是固定全向天線，發(fā)送連續(xù)信號，向追蹤船示意目標(biāo)船的位置。

（2）B型天線組安裝在兩艘飛船上，是旋轉(zhuǎn)搜索接收天線，用于測定相對指向。一艘飛船的B 型搜索接收天線撿拾另一艘飛船的進(jìn)入信號，生成用于各自飛船的定位差異信號，之后，B型天線實現(xiàn)逐個對準(zhǔn)。

（3）C型天線是安裝在追蹤船上的轉(zhuǎn)移/接收窄波束天線，為萬向架固定式碟狀構(gòu)型，用于跟蹤目標(biāo)船的相對角運動。

（4）D 型天線是安裝在目標(biāo)船上的固定碟狀窄波束天線，可將測距數(shù)據(jù)傳回追蹤船。

（5）E型天線是追蹤船上的另一種固定天線，用于近距離鄰近運作，消除在近距離中被放大的非線性差異。

3.1.2 “指針”系統(tǒng)功能

“指針”系統(tǒng)可支持目標(biāo)船與追蹤船的對準(zhǔn)，以及追蹤船向目標(biāo)船的逼近。

（1）目標(biāo)船與追蹤船的對準(zhǔn)。如圖16所示，在軌道射入點，目標(biāo)船進(jìn)入追蹤船軌道幾千米范圍內(nèi)，兩艘飛船的相互搜尋捕獲段開始。①首先，目標(biāo)船用兩副全向天線（A型）發(fā)送信號，向追蹤船警示目標(biāo)船的當(dāng)前位置。同時，追蹤船慢慢旋轉(zhuǎn)，使其中一副接收天線（B型）能夠采集標(biāo)向信號。兩副B型天線接收的信號強(qiáng)度差生成差異信號，這個差異信號可幫助追蹤船確定目標(biāo)船在哪個半球。②確定之后，追蹤船將自己指向目標(biāo)船，并保持其相對姿態(tài)。然后，追蹤船通過窄波束天線（C 型）向目標(biāo)船發(fā)送詢問信號。目標(biāo)船以一副旋轉(zhuǎn)接收天線（B型）撿拾詢問信號。③依據(jù)每副B 型天線接收到的信號強(qiáng)度，目標(biāo)船可測定追蹤船方向，并使目標(biāo)船窄波束天線（D 型）恰當(dāng)定向。

（2）追蹤船向目標(biāo)船的逼近。兩艘飛船相互對準(zhǔn)后，“指針”系統(tǒng)開始支持兩艘飛船靠近。①首先，目標(biāo)船關(guān)閉全向天線（A型），但繼續(xù)通過旋轉(zhuǎn)天線（B型）接收來自追蹤船的詢問信號，并通過固定窄波束天線（D 型）重新發(fā)送詢問信號。②追蹤船的萬向架固定式天線（C 型）撿拾目標(biāo)船發(fā)送的重播信號，船上計算機(jī)應(yīng)用這些觀測值確定測距、測距變化率及視線矢量的轉(zhuǎn)動。③在近距離，追蹤船上的E型天線將向目標(biāo)船上的B 型天線發(fā)送詢問信號，以幫助測定滾轉(zhuǎn)基準(zhǔn)。在追蹤船緩慢靠近目標(biāo)船的過程中，應(yīng)用控制定律使視線轉(zhuǎn)動為零，且使相對距離變化率（測距率）按所期望的函數(shù)關(guān)系隨相對距離（測距）變化，直到對接完成。對于聯(lián)盟-4 交會使命，聯(lián)盟-4逼近聯(lián)盟-5的速度為25cm/s。圖17表示追蹤船與目標(biāo)船在遠(yuǎn)距逼近階段的相對位置。

圖16 “聯(lián)盟”飛船應(yīng)用“指針”系統(tǒng)的相互搜尋與捕獲[26]Fig.16 Mutual search and acquisition of two Soyuz spacecraft using Igla system

圖17 應(yīng)用“指針”系統(tǒng)的“聯(lián)盟”追蹤船與目標(biāo)船在遠(yuǎn)距交會階段的相對位置[9]Fig.17 Mutual position of the active and passive spacecraft in the distant approach phase using Igla system

3.2 “航向”雷達(dá)系統(tǒng)[9，22-24]

“航向”雷達(dá)系統(tǒng)用于聯(lián)盟-TM 與進(jìn)步-M，以及后續(xù)的聯(lián)盟號與進(jìn)步號飛船?！昂较颉毕到y(tǒng)可以使追蹤器逼近飛行到所選擇的目標(biāo)器對接口的對接軸線上。類似“指針”系統(tǒng)，“航向”系統(tǒng)在聯(lián)盟號和進(jìn)步號飛船（主動追蹤器）與空間站（被動目標(biāo)器）上應(yīng)用多種類型天線。追蹤器上的“航向”系統(tǒng)為主動“航向”（Kurs-A）系統(tǒng)，目標(biāo)器上的“航向”系統(tǒng)為被動“航向”（Kurs-P）系統(tǒng)。如圖18所示，在“國際空間站”的“縱碼頭”（Pirs）對接艙（也是氣閘艙）上，既裝備主動“航向”系統(tǒng)，又有被動“航向”系統(tǒng)，這是因為在向“國際空間站”上裝配“縱碼頭”時，“縱碼頭”是逼近“國際空間站”的“追蹤器”，而飛船向“縱碼頭”逼近對接時，“縱碼頭”是“目標(biāo)器”。圖19 顯示了“國際空間站”儲貨功能塊（Functional Cargo Block，F(xiàn)CB）“航向”系統(tǒng)天線錐。

圖18 “國際空間站”的“縱碼頭”對接艙（氣閘艙）[9]Fig.18 Pirs docking and airlock module installed on ISS

圖19 “國際空間站”儲貨功能塊“航向”系統(tǒng)天線錐（右側(cè)視圖）[28]Fig.19 ISS FCB Kurs antenna cones（starboard view）

聯(lián)盟號飛船上有4種天線（見圖20）：①兩副全向轉(zhuǎn)移接收天線，一副（A1）安裝在前部對接口，另一副（A2）在飛船后側(cè)，用于捕獲段，確定目標(biāo)器（空間站）的大致方向。一旦空間站確定被捕獲，聯(lián)盟號飛船便開始發(fā)射并接收信號，測定相對距離與距離變化率。②萬向架固定式寬角天線（A3），用于聯(lián)盟號飛船向空間站逼近的定位。③固定的電子掃描天線（A4，與“指針”系統(tǒng)的C型天線相似）。④固定的窄波束接收天線（A5），用于在近距離鄰近段測量朝向目標(biāo)器的方向角，并測定相對姿態(tài)。

在聯(lián)盟號飛船與和平號空間站交會使命中，和平號空間站上也有4種天線（見圖20）：①兩副全向收發(fā)天線（B1與B2），安裝在太陽翼外端，最初用于向聯(lián)盟號和進(jìn)步號飛船播送標(biāo)向信號，向飛船警示空間站所處位置。②30°錐固定天線（B3），用于確定測距和測距率。③20°錐固定天線（B4），主要用于最后30m，以提高相對距離測量精度。④錐形掃描天線（B5），該天線由電機(jī)驅(qū)動，固定轉(zhuǎn)速為700r/min。天線B3、B4、B5主要在鄰近段應(yīng)用。當(dāng)天線B1和B2被關(guān)閉時，應(yīng)用天線B3測定相對距離及其變化率。通過測量天線A5收到的B5發(fā)送的振幅和相位轉(zhuǎn)移載波信號，聯(lián)盟號飛船可測定它與空間站之間的相對姿態(tài)。圖21表示聯(lián)盟號飛船與和平號空間站應(yīng)用“航向”系統(tǒng)的相互搜尋與捕獲。

圖20 “航向”系統(tǒng)射頻天線[26]Fig.20 RF antennas of Kurs system

圖21 聯(lián)盟號飛船與和平號空間站應(yīng)用“航向”系統(tǒng)的相互搜尋與捕獲[26]Fig.21 Mutual search and acquisition of Soyuz spacecraft and Mir space station using Kurs system

“航向”系統(tǒng)也有能力使聯(lián)盟號飛船與無應(yīng)答的空間站對接，這種能力在聯(lián)盟TM-21使命中得到驗證。美國航天飛機(jī)在完成首次與和平號的對接后，準(zhǔn)備解除對接，蘇聯(lián)人認(rèn)為這是一個歷史性事件，要拍攝下航天飛機(jī)的離開，因此必須將聯(lián)盟號飛船解除對接并移往可記錄這一事件的位置。脫離對接后，聯(lián)盟號飛船試圖與和平號空間站再對接，而此時空間站計算機(jī)失效，幸好有聯(lián)盟-TM的“航向”系統(tǒng)，使飛船向計算機(jī)失效的空間站對接得以實現(xiàn)。對接后，航天員進(jìn)入空間站，重新啟動計算機(jī)。

與“指針”系統(tǒng)相比，“航向”系統(tǒng)具有兩方面優(yōu)勢：①“指針”系統(tǒng)作用距離僅幾十千米，而“航向”系統(tǒng)可在相對距離幾百千米范圍內(nèi)捕獲目標(biāo)。②如圖16與圖17所示，“指針”系統(tǒng)在對準(zhǔn)之后才能進(jìn)行逼近運作，即兩個航天器的對接面之間保持視線瞄準(zhǔn)。為實現(xiàn)“對準(zhǔn)”，就需要目標(biāo)器參與姿態(tài)機(jī)動，或追蹤器跟蹤目標(biāo)器的對接口。若目標(biāo)器質(zhì)量較?。ㄈ缧l(wèi)星或飛船），姿態(tài)機(jī)動不難實現(xiàn)；若目標(biāo)器質(zhì)量較大（如空間站），姿態(tài)機(jī)動不易實現(xiàn)，在這種情況下，追蹤器不得不繞飛跟蹤目標(biāo)器的對接口。相比之下，“航向”系統(tǒng)可補(bǔ)償目標(biāo)器意外的偏離，支持與非機(jī)動目標(biāo)器的交會對接運作，動力消耗較小。

“航向”系統(tǒng)的運作一直很成功，幾乎將雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)的功能發(fā)揮到了極致，但在質(zhì)量、電源和設(shè)計方面還有一些不足之處。在聯(lián)盟號或進(jìn)步號飛船上的“航向”系統(tǒng)，總質(zhì)量約85kg，功率為270W。在目標(biāo)器上，“航向”系統(tǒng)，總質(zhì)量約80kg，功率為250W。此外，“航向”系統(tǒng)采用存在壽命問題的真空管技術(shù)。盡管這個系統(tǒng)在當(dāng)前的應(yīng)用是有效的，并且還可能持續(xù)多年，但目前的設(shè)計難以滿足自主軌道交會使命提出的許多新需求。

3.3 “遙控操作交會單元”[29]

在和平號空間站上也裝備“遙控操作交會單元”，使空間站核心艙內(nèi)的航天員可遙控進(jìn)步號貨運飛船的逼近與對接?？臻g站航天員可應(yīng)用一對安裝在主控板上的手控器，控制進(jìn)步號飛船的轉(zhuǎn)動與平移，操作方式如同聯(lián)盟號載人飛船乘員使用的手控器。在進(jìn)步號飛船的對接單元中有一臺攝像機(jī)，可將飛船逼近空間站的現(xiàn)場TV 圖像，傳送到空間站內(nèi)航天員前面的監(jiān)視屏上，對飛船運動進(jìn)行控制。1992年，這個系統(tǒng)在進(jìn)步M-15上進(jìn)行試驗。1997年6月，這個系統(tǒng)的運作對避免進(jìn)步M-34 飛船與和平號空間站碰撞起到了作用。

4 交會逼近軌跡

對航天器交會逼近飛行，可以應(yīng)用慣性坐標(biāo)系描述目標(biāo)器與追蹤器的軌道運動（絕對運動），更常用的是，在“當(dāng)?shù)卮怪?當(dāng)?shù)厮健保↙ocal-Vertical Local-Horizontal，LVLH）坐標(biāo)系中描述追蹤器相對目標(biāo)器的運動，即相對運動。LVLH 坐標(biāo)系（見圖22）的xz 平 面為 目 標(biāo) 器 軌 道 面，z 軸（Rbar）指向地球中心，x 軸（V-bar）指向目標(biāo)器軌道運動方向，y軸（H-bar）垂直于軌道面（沿負(fù)法向）。在LVLH 坐標(biāo)系中，聯(lián)盟號（或進(jìn)步號）飛船向和平號空間站交會對接飛行軌跡如圖23所示；圖24則表示進(jìn)步M-11M 飛船向“國際空間站”交會逼近的軌道運動。整個交會逼近軌跡可分為三部分：①交會段；②逼近與制動段；③最終逼近段。交會逼近應(yīng)用“航向”系統(tǒng)，并采用雙共橢圓軌道與繞飛策略。所謂“共橢圓軌道”，是指共面、共中心的橢圓軌道，即兩橢圓軌道的軌道傾角相同，且半長軸與偏心率的乘積相等。共橢圓軌道在LVLH 坐標(biāo)系中的軌跡近似為平行于V-bar軸的直線。

圖22 標(biāo)準(zhǔn)“當(dāng)?shù)卮怪?當(dāng)?shù)厮健弊鴺?biāo)系[25]Fig.22 Standard LVLH frame

圖23 聯(lián)盟號（或進(jìn)步號）飛船與和平號空間站的交會對接飛行軌跡[26]Fig.23 Rendezvous and docking trajectory for Soyuz/Progress spacecraft to Mir space station

圖24 進(jìn)步M-11M 向“國際空間站”的接近與逼近[23]Fig.24 Closing and approach of Progress M-11Mto ISS

4.1 交會段[26，30]

交會段由初始軌跡射入點（M0）至“終段起始”（Terminal Phase Initiation，TPI）點（M4）。在發(fā)射及初始軌道射入機(jī)動（點M0）后，執(zhí)行兩個機(jī)動（點M1和點M2），將聯(lián)盟號或進(jìn)步號飛船轉(zhuǎn)移到調(diào)相高度，進(jìn)入共橢圓軌道。在漂移期間，施加軌跡修正機(jī)動（點M3），減小軌跡彌散。從M0處的機(jī)動到M3處的機(jī)動都是由地面控制的。當(dāng)向和平號空間站轉(zhuǎn)移的TPI時刻到來時，飛船上的控制系統(tǒng)執(zhí)行終段起始機(jī)動（點M4），開始向空間站逼近。

4.2 逼近與制動段[26，30]

逼近與制動段由TPI（點M4）至到達(dá)對接軸線，這一段也稱為“向?qū)虞S轉(zhuǎn)移”段。在TPI機(jī)動后不久，聯(lián)盟號飛船離和平號空間站約200km時，飛船進(jìn)入“航向”系統(tǒng)運作范圍，“航向”系統(tǒng)開始空間站的搜尋與捕獲。空間站由全向天線（B1與B2）發(fā)送標(biāo)向信號，而聯(lián)盟號和進(jìn)步號飛船前部對接口天線（A1）及后側(cè)天線（A2）可探測到這些警示信號，并最終測定空間站定位在哪個半球。如需要，飛船可啟動姿態(tài)機(jī)動，以保證飛船恰當(dāng)指向空間站方向（見圖21（a））。一旦“航向”系統(tǒng)得知空間站位于地球哪個半球且飛船被恰當(dāng)定位后，飛船上的掃描天線（A3）便被激活，可以更精確地測定空間站方向。最終，聯(lián)盟號相對空間站的距離和方位足以允許主跟蹤天線（A4）查尋空間站，以獲取相對距離及其變化率信息。依據(jù)天線A4獲取的附加信息（見圖21（b）），“航向”系統(tǒng)可更新兩個航天器的測算位置，并在距空間站約100km 處執(zhí)行逼近軌跡修正機(jī)動（M5），如圖23（b）所示。

在向和平號空間站逼近時，為使制動過程平穩(wěn)，施加3個沖量機(jī)動（點M6，M7，M8）。第一個制動機(jī)動（點M6）出現(xiàn)在聯(lián)盟號在空間站軌道之下約1km、空間站之后約4km 的位置。在最后一次制動機(jī)動（點M8）之后，很可能當(dāng)前的逼近軌跡與空間站的對接口尚未對準(zhǔn)。因此，為使飛船在最終逼近段沿空間站對接軸以適合的相對狀態(tài)向空間站逼近，聯(lián)盟號飛船在離空間站200～400m 之間進(jìn)行繞飛。不管對接軸指向是否沿V-bar、R-bar，或某慣性固定軸，聯(lián)盟號可通過繞飛到達(dá)對接軸線上。在繞飛期間，聯(lián)盟號上的掃描天線（A4）跟蹤空間站天線B3，以獲得測距、測距率及視線角信息；與此同時，天線A5 跟蹤B5，以推斷相對姿態(tài)（見圖21（c））。繞飛后，飛船到達(dá)對接軸線上并保持在一個固定的相對位置（懸停飛行），離空間站約200m；在此位置，飛船等待地面執(zhí)行最終逼近的“前進(jìn)”指令。

4.3 最終逼近段[12，23，26，30]

最終逼近段為沿對稱軸線逼近空間站的飛行階段。飛船一旦接收到“前進(jìn)”指令信號，便開始向空間站最終逼近。最終逼近軌跡為直線型閉環(huán)受控軌跡，初始接近速度為1m/s。當(dāng)相對距離降到30m以下時，聯(lián)盟號上的天線A4開始接收經(jīng)空間站天線B4發(fā)送的信號（除來自天線B3的信號外），繼續(xù)估算相對距離（圖21（c））。在接觸前，逼近速度大致降到0.1～0.3m/s；側(cè)向偏差為0.15～0.30m，側(cè)向速度小于0.1m/s；滾轉(zhuǎn)角速度保持在0.7（°）/s以下，俯仰與偏航角速度（合計）小于0.6（°）/s。

5 對接系統(tǒng)

5.1 “聯(lián)盟”飛船之間的對接[8]

蘇/俄航天器對接系統(tǒng)的最原始設(shè)計源自“聯(lián)盟繞月飛行器”。“聯(lián)盟繞月飛行器”的載人飛船聯(lián)盟-A與加注飛船聯(lián)盟-V 的對接系統(tǒng)設(shè)計采用簡單的桿錐裝置，且不提供內(nèi)部轉(zhuǎn)移艙門。由聯(lián)盟-A演變而來的“聯(lián)盟”飛船也沿用桿錐設(shè)計，主動飛船裝備探桿，而被動飛船有接收錐、錐套及捕獲鎖。為了接收探桿，被動單元的截頭錐體比主動單元更長。探桿設(shè)計為減震器，探桿頂端的敏感器用于探測與被動錐的接觸，并使主動飛船上的控制系統(tǒng)失效；同時，主動飛船推力器點火，將兩艘飛船連在一起。在被動錐的頂點，探桿碰撞錐套，錐套內(nèi)的系列捕獲鎖與約束環(huán)鎖在一起，使兩艘飛船緊固。在兩艘飛船對接單元的邊框上，凸凹構(gòu)型的嵌入插頭與插座在飛船之間建立起電氣與通信連接。

5.2 聯(lián)盟號和進(jìn)步號飛船與蘇聯(lián)空間站的對接[8]

從1971年起，執(zhí)行空間使命的聯(lián)盟號載人飛船與進(jìn)步號貨運飛船的桿錐對接系統(tǒng)作了改進(jìn)，桿錐裝置在硬對接實現(xiàn)后可移開，并增設(shè)內(nèi)部轉(zhuǎn)移艙門。對接后，一旦完成壓力與密封完整性檢測，航天員便可移開桿錐裝置并打開兩個航天器之間的艙門，形成從聯(lián)盟號和進(jìn)步號飛船進(jìn)入空間站的通道。為解除對接，桿錐單元將被放回原位，關(guān)閉艙門，4 根彈簧推桿將兩個航天器推開。如果因某種原因推桿失效，航天員可點火爆炸螺栓，將飛船從空間站分離；若還不行，作為最后的努力，推進(jìn)艙與下降艙組合體將從軌道艙分離，并立即返回地球。

5.3 聯(lián)盟號飛船與“阿波羅”飛船的對接[8，12]

為1975年的聯(lián)盟號與“阿波羅”飛船聯(lián)合飛行，需研發(fā)不同的對接系統(tǒng)。為補(bǔ)償兩艘飛船之間氣壓的變化，美國研制了“對接艙”，并為實現(xiàn)對接共同研發(fā)了“雌雄同體（異體同構(gòu)）周邊裝配系統(tǒng)1975”（Androgynous Peripheral Assembly System 1975，APAS-75），見圖25。這個對接單元安裝在對接艙的聯(lián)盟號一端，使聯(lián)盟號與“阿波羅”飛船的對接艙對接。聯(lián)盟號與對接艙之間的相容性是由安裝相互連接并制約的標(biāo)準(zhǔn)件實現(xiàn)的。此外，一個裝配式T型對接目標(biāo)（曾在“阿波羅”月球艙上使用過）安裝在聯(lián)盟號對接裝置上，通過“阿波羅”指令與服務(wù)艙光學(xué)瞄準(zhǔn)觀測器件可觀測到T 型對接目標(biāo)，這個觀測器件與指令艙前向交會窗相鄰。聯(lián)盟-19飛船也裝備2個閃光標(biāo)志燈，用于最終逼近期間的視覺捕獲；在太陽翼外側(cè)有4個定向燈，左側(cè)前向燈為紅色，右側(cè)前向燈為綠色，2個尾燈為白色。

圖25 “阿波羅”與聯(lián)盟-ASTP對接系統(tǒng)[12]Fig.25 Docking system of Apollo and Soyuz-ASTP spacecraft

5.4 “國際空間站”對接系統(tǒng)[12，22，31-33]

除了美國的“通用?？繖C(jī)構(gòu)”（Common Berthing Mechanism，CBM）外，在“國際空間站”上還應(yīng)用兩類俄羅斯對接系統(tǒng)：①“雌雄同體（異體同構(gòu)）周邊連接系統(tǒng)”（Androgynous Peripheral Attachment System，APAS）對接機(jī)構(gòu)（見圖26）；②桿錐對接機(jī)構(gòu)（見圖27）。美國的“通用?？繖C(jī)構(gòu)”需要乘員操作自動臂，不支持自動對接運作。與“通用?？繖C(jī)構(gòu)”不同的是，俄羅斯對接機(jī)構(gòu)無需乘員操作，支持自動對接運作；但這兩類對接機(jī)構(gòu)都不是為?？窟\作而設(shè)計的，這是因為它們需要較大的接觸力和接近速度，以克服航天器對準(zhǔn)誤差，實現(xiàn)連接軟捕獲。俄羅斯的這兩類對接機(jī)構(gòu)都提供雙電機(jī)鉤形驅(qū)動裝置，并帶有火工備份，用于分離操作；然而，火工釋放使一個航天器的聯(lián)接系統(tǒng)不能為以后對接使用（只有大修后才可重新使用）。類似的，應(yīng)急96-螺栓用于“雌雄同體周邊連接系統(tǒng)”釋放，也使“國際空間站”對接口不能重復(fù)使用。典型的聯(lián)盟號飛船與“國際空間站”的對接程序如圖28所示。

圖26 俄羅斯“雌雄同體（異體同構(gòu)）周邊連接系統(tǒng)”對接機(jī)構(gòu)[31]Fig.26 Russian androgynous peripheral attachment system docking mechanism

圖27 俄羅斯“聯(lián)盟桿錐對接機(jī)構(gòu)”[31]Fig.27 Russian Soyuz probe/cone docking mechanism

圖28 聯(lián)盟-TMA與“國際空間站”的對接程序[33]Fig.28 Soyuz-TMAdocking sequence

6 俄羅斯未來的空間運輸系統(tǒng)

2009年，俄羅斯揭示了未來的空間運輸系統(tǒng)，這項規(guī)劃名為“未來有人操作的運輸系統(tǒng)”（Prospective Piloted Transport System，PPTS），計劃于2018年進(jìn)行首次載人發(fā)射。整個“未來有人操作的運輸系統(tǒng)”規(guī)劃包括兩部分：①“新一代有人操作的運輸飛行器”（New Generation Piloted Transport Spacecraft，PTK NP）；②“新一代有人操作的運輸飛行器”的運載火箭，即Rus-M 系列火箭。

6.1 Rus-M 系列火箭[13]

Rus-M 系列火箭第一級應(yīng)用RD-180發(fā)動機(jī)，第二級應(yīng)用RD-0146發(fā)動機(jī)。Rus-M 有4個型號：①型號-1 的第一級應(yīng)用3個不可分離的助推器。②型號-2的第一級應(yīng)用5個助推器，其中4個搭接的周邊助推器在飛行中脫離掉，而中央助推器工作時間較長。在飛行初期階段，中央助推器推力小于滿推力，在4個周邊助推器分離后，中央助推器達(dá)到推力極限。③型號-3應(yīng)用加長的第一級，以增加推進(jìn)劑質(zhì)量。④型號-4的第一級為單一助推器，而上面級來自聯(lián)盟-2火箭。型號-1～3的低地球軌道運載能力分別為23.8t、35t、50t，主要用于載人使命；型號-4的低地球軌道運載能力為6t，可用于貨物運輸使命。圖29分別表示Rus-M 系列火箭的前3個型號。

圖29 Rus-M 系列火箭型號[13]Fig.29 Family of Rus-M rocket

6.2 新一代載人飛行器[14-16]

“新一代有人操作的運輸飛行器”將取代歷史悠久的聯(lián)盟號載人飛船。它有3 種類型（見圖30）：①地球軌道飛行器，質(zhì)量約12t，乘員6人，載貨質(zhì)量500kg，自主使命飛行期可達(dá)30 天，在與“國際空間站”或未來俄羅斯空間站對接狀態(tài)下的飛行期可長達(dá)1年。②月球軌道飛行器，質(zhì)量約16.5t，乘員4人，載貨質(zhì)量100kg，可執(zhí)行長達(dá)14天的繞月飛行使命，在與月球軌道站對接狀態(tài)下的飛行期可長達(dá)200 天。③地月轉(zhuǎn)移飛行器，具有助推級，用于飛離地球引力場，到達(dá)月球軌道。此外，“新一代有人操作的運輸飛行器”也可改型為不載人的貨運飛船。

圖30 “新一代有人操作的運輸飛行器”的類型[14]Fig.30 Versions of PTK NP spacecraft

“新一代有人操作的運輸飛行器”的地球軌道飛行器（見圖30（a）和圖31）為兩艙構(gòu)型，即僅由乘員艙與服務(wù)艙組成，沒有軌道艙。這是因為它僅在地球與空間站之間運輸乘員，不承擔(dān)單飛在軌科學(xué)實驗任務(wù)，因此無需軌道艙，且可擴(kuò)充乘員艙，載運6名乘員。在乘員艙頂端有對接裝置，在乘員艙后部有軟著陸發(fā)動機(jī)與著陸架，姿控推力器安裝在乘員艙前部外壁上，在乘員艙內(nèi)部有乘員進(jìn)入空間站的轉(zhuǎn)移通道。服務(wù)艙內(nèi)有推進(jìn)劑貯箱，服務(wù)艙外壁上裝有一對可轉(zhuǎn)動的太陽翼。

圖31 PTK NP地球軌道飛行器剖視圖[16]Fig.31 Acutaway drawing of earth-orbiting version of PTK NP spacecraft

在2009年8月莫斯科航空航天展上展示了“新一代有人操作的運輸飛行器”模型，可以看出它的一些特點：①新飛行器乘員艙上有可重復(fù)使用的防熱瓦，代替燒蝕材料系統(tǒng)。（值得注意的是，當(dāng)美國拋棄防熱瓦重新使用燒蝕材料防熱系統(tǒng)時，俄羅斯卻想使用防熱瓦，使乘員艙可重復(fù)使用。也許俄羅斯認(rèn)為，現(xiàn)在已不同于30年前，防熱瓦的技術(shù)成熟度可滿足載人航天器要求。）②應(yīng)用可轉(zhuǎn)動的太陽翼代替固定的太陽翼。太陽翼的精確對日定向，連同使用高效太陽電池與新一代鋰蓄電池，新一代飛船的電源系統(tǒng)將比聯(lián)盟號飛船有更高的性能。③在飛行器模型上未見傳統(tǒng)的軌道交會天線，而是讓位給致密的敏感器，很可能使用激光敏感器導(dǎo)引飛行器對接。④新飛行器也將應(yīng)用新的高性能飛行控制計算機(jī)，有能力接收并處理GLONASS衛(wèi)星網(wǎng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)以及來自高精度陀螺儀與光學(xué)敏感器的信息。⑤在服務(wù)艙尾部的專用可移動天線，使飛行器可經(jīng)由數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星與地面控制保持不間斷的聯(lián)系。⑥飛行器與地球之間的雙路通信將被統(tǒng)一為單一的穩(wěn)固的數(shù)字化數(shù)據(jù)流，適應(yīng)快速解碼、配送與存儲。⑦乘員艙將裝備液晶顯示器與定制的軟件。⑧在乘員艙頂端有氣動力活板；當(dāng)乘員艙離軌到達(dá)稠密大氣層時，活板可用于操控乘員艙。⑨乘員艙裝備推力器，應(yīng)用氣態(tài)氧與乙醇作推進(jìn)劑，用于大氣層外的機(jī)動。

7 結(jié)束語

在美國成功完成“阿波羅”登月使命后，蘇聯(lián)立即停止登月計劃，將空間活動重點轉(zhuǎn)向空間站與運輸飛船系列。歷經(jīng)40多年的發(fā)展，聯(lián)盟號飛船已成為歷史悠久且可靠、高效的載人飛船系列，并衍生出進(jìn)步號貨運飛船系列。聯(lián)盟號和進(jìn)步號飛船具有下列特點：①在世界上首次采用3艙（下降艙、軌道艙與推進(jìn)艙）構(gòu)型，且下降艙應(yīng)用燒蝕防熱結(jié)構(gòu)，軌道艙兼作氣閘艙。②應(yīng)用交會雷達(dá)系統(tǒng)，以自動控制為主，特別是“航向”系統(tǒng)最大限度地提升了雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)的功能；而手控器與“遙控操作交會單元”可在應(yīng)急情況下使用。③不斷改進(jìn)的桿錐對接系統(tǒng)成功應(yīng)用在聯(lián)盟號載人飛船、進(jìn)步號貨運飛船，以及歐洲航天局“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的對接運作中。④新設(shè)備、新系統(tǒng)在聯(lián)盟號載人飛船試驗前，先在無人航天器上進(jìn)行試驗。在進(jìn)步號貨運飛船之前，應(yīng)用宇宙號飛船（實際上就是不載人的聯(lián)盟號飛船，除用作技術(shù)試驗外，本身具有軍事探測目的）；在進(jìn)步號貨運飛船服役后，應(yīng)用進(jìn)步號系列進(jìn)行試驗。⑤最初的聯(lián)盟號飛船具有運載乘員與貨物雙重使命，但隨著貨運量的增大，將載人飛船與貨運飛船分開，且將進(jìn)步號飛船作為聯(lián)盟號載人飛船的技術(shù)試驗平臺。

縱觀半個世紀(jì)以來蘇/俄的空間活動，可以看到蘇/俄在載人飛船、貨運飛船、空間站，以及與之有關(guān)的艙外航天服[34]等領(lǐng)域，取得令人矚目的成就。蘇/俄聯(lián)盟號飛船技術(shù)對歐洲航天局、日本、中國的空間運輸系統(tǒng)的研制具有重要影響；蘇/俄在空間站技術(shù)領(lǐng)域取得的經(jīng)驗，對空間探測及后來“國際空間站”的組裝與運作具有重要作用；蘇/俄艙外航天服技術(shù)對歐洲航天局、中國、美國的艙外航天服的研制具有借鑒作用。俄羅斯的航天技術(shù)不僅在蘇聯(lián)航天技術(shù)的基礎(chǔ)上向前發(fā)展，而且對國際合作作出突出貢獻(xiàn)。

現(xiàn)在，俄羅斯已提出“未來有人操作的運輸系統(tǒng)”規(guī)劃，包括更大推力的Rus-M 系列火箭與“新一代有人操作的運輸飛行器”。這項規(guī)劃不僅可顯著提高俄羅斯的地球軌道運輸能力，而且為俄羅斯未來的載人登月與載人登火星使命開辟道路。

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