安德華 王永生(中國航天員科研訓(xùn)練中心)

俄羅斯載人飛船“快速對接”飛行模式淺析

安德華 王永生(中國航天員科研訓(xùn)練中心)

2013年3月28日,俄羅斯聯(lián)盟TMA-08M載人飛船發(fā)射升空,飛行5h44min后,首次實(shí)現(xiàn)了載人飛船與"國際空間站"的"快速對接".在航天發(fā)展史中,"快速對接"模式并不是新鮮事物,但實(shí)現(xiàn)載人"快速對接"在俄羅斯尚屬首次,所以這種新的飛行模式具有里程碑式的意義.俄羅斯航天局決定,經(jīng)過2次測試飛行后"快速對接"模式將成為常態(tài)飛行模式.新的飛行模式不但對飛船系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生影響,對于航天員更是新的考驗(yàn).

1 "快速對接"飛行模式簡介

"快速對接"飛行模式指的是飛船在6h內(nèi)繞地球4圈后與"國際空間站"對接,而之前飛船在對接前要繞地球飛行34圈,用時(shí)近2天時(shí)間.2012年8月1日23: 35(莫斯科當(dāng)?shù)貢r(shí)間)俄羅斯進(jìn)步M-16M貨運(yùn)飛船發(fā)射升空,飛船在發(fā)射6h后與"國際空間站"對接,這是貨運(yùn)飛船首次測試快速交會(huì)對接模式.此后又成功進(jìn)行了2次,3艘"進(jìn)步"貨運(yùn)飛船"快速對接"飛行試驗(yàn)成功后.俄羅斯開始試驗(yàn)載人飛船的快速對接. 2013年3月29日,俄羅斯航天局局長波波夫金表示,在聯(lián)盟 TMA-08飛船發(fā)射后還將采用相同的模式進(jìn)行一次載人發(fā)射,這期間將對乘員的生理參數(shù)進(jìn)行研究,根據(jù)研究結(jié)果再確定是否將這種快速對接模式轉(zhuǎn)為常規(guī)飛行模式.俄羅斯能源火箭航天公司總裁洛波塔今年4月1日稱,采用快速對接模式后,飛船飛前訓(xùn)練準(zhǔn)備沒有變化,主要是重點(diǎn)測試艙載計(jì)算軟件.

在聯(lián)盟 TMA-08M載人飛船飛行期間,"慢速對接"飛行仍作為備用飛行模式,當(dāng)"快速對接"飛行出現(xiàn)問題或出現(xiàn)其他情況時(shí)(比如出現(xiàn)空間垃圾時(shí)),飛船可正常轉(zhuǎn)入兩天對接的飛行模式.俄羅斯加加林航天員訓(xùn)練中心原主任謝爾蓋.克里卡廖夫稱,無論出現(xiàn)任何系統(tǒng)故障或意外情況,乘組都知道如何處理.

2 "快速對接"飛行模式的歷史

1965年12月15日,美國雙子星座-6、7飛船在航

天員參與下,實(shí)現(xiàn)了世界上第一次有人空間交會(huì)對接.美國、蘇聯(lián)/俄羅斯、日本、歐洲航天局以及中國成功實(shí)現(xiàn)了350次在軌交會(huì)對接,其中307次是與空間站的對接,飛船在飛行一天左右與空間站成功實(shí)現(xiàn)快速交會(huì)對接的有33次.

俄羅斯飛船快速交會(huì)對接的歷程

"快速對接"飛行模式并不是新鮮事物,俄羅斯早在1968年就曾嘗試過"快速對接"飛行模式.1968年4月15日發(fā)射的宇宙-213無人飛船在發(fā)射后僅46min就與前一天發(fā)射的另一艘飛船宇宙-212進(jìn)行了自動(dòng)對接.當(dāng)專家們發(fā)射第二艘飛船時(shí),第一艘飛船正在拜科努爾發(fā)射場上空飛過.

蘇聯(lián)航天員別列戈沃伊.格奧爾吉曾有機(jī)會(huì)打破美國航天員創(chuàng)造的最快交會(huì)對接紀(jì)錄(美國航天員曾駕駛飛船用94min實(shí)現(xiàn)了與目標(biāo)飛行器的對接),他于1968年10月26日駕駛聯(lián)盟-3飛船,在飛行第一圈時(shí)就與聯(lián)盟-2無人飛船自動(dòng)交會(huì)至200m左右,然后改為手動(dòng)對接模式,但手動(dòng)操作3次都未成功.后來據(jù)俄方稱是因?yàn)楹教靻T操作出現(xiàn)錯(cuò)誤造成對接沒有成功,也有消息稱操作系統(tǒng)出現(xiàn)問題.

蘇聯(lián)從1971年4月19日成功發(fā)射第一個(gè)空間站-禮炮-1,到1985年完成所有"禮炮"任務(wù),共進(jìn)行了30多次的交會(huì)對接,曾多次試驗(yàn)在一天內(nèi)到達(dá)"禮炮"空間站,其中有2次為50h左右對接,其他27次對接是在13h左右對接成功.后來,蘇聯(lián)決定采用較為輕松的飛行模式,"聯(lián)盟"飛船在一天內(nèi)到達(dá)"禮炮"空間站,但是在飛行第一天結(jié)束時(shí),個(gè)別航天員出現(xiàn)了急性失重適應(yīng)期癥狀,表現(xiàn)為協(xié)調(diào)性變差,出現(xiàn)抑郁癥,如果采用手動(dòng)控制很可能會(huì)出現(xiàn)問題.

1974年-1985年蘇聯(lián)禮炮號任務(wù)期間交會(huì)對接情況

1986年,和平號空間站發(fā)射后,蘇聯(lián)決定"聯(lián)盟"飛船采用兩天的飛行模式,至今該模式已經(jīng)使用了26年,從發(fā)射到對接需要近50h.

美國飛船快速交會(huì)對接的歷程

1966年9月12日14:42,美國航天員查爾斯.康拉德和理查德.戈登駕駛雙子星座-11飛船在發(fā)射后僅用94min就與"阿金納"目標(biāo)飛行器進(jìn)行了對接,創(chuàng)造了快速飛行的世界記錄.

美國"天空實(shí)驗(yàn)室"空間站與"阿波羅"飛船在一天內(nèi)的交會(huì)對接

美國"阿波羅"飛船與天空實(shí)驗(yàn)室-3、4的交會(huì)對接都采用了"快速對接"飛行模式,從飛船發(fā)射到對接用時(shí)8h左右.

美俄對"快速對接"飛行模式的不同態(tài)度

事實(shí)表明,雖然美俄都進(jìn)行過1天左右交會(huì)對接的試驗(yàn),但美國表示飛行4圈就對接可能會(huì)引起航天員的不適反應(yīng).這可能是美俄采用不同的交會(huì)對接技術(shù),以至于最終對"快速對接"持不同態(tài)度.美國的經(jīng)驗(yàn)是遠(yuǎn)距離采用自動(dòng),近距離采用手控;蘇聯(lián)/俄羅斯全過程基本采用自動(dòng)交會(huì)對接方式.這是由于其地理位置所決定的,蘇聯(lián)橫跨歐亞大陸,因此可以滿足自動(dòng)控制中地面站數(shù)量的要求,美國則不具備這樣的條件.

美國從"人"的角度出發(fā),可能要充分考慮航天員能否順利完成手控操作,而俄羅斯采用自動(dòng)交會(huì)對接,人參與的成份少,因而不太需要考慮快速交會(huì)對接對航天員空間運(yùn)動(dòng)病的影響.

3 "快速對接"飛行模式的現(xiàn)實(shí)意義

難以忍受的50h

雖然"慢速對接"飛行模式已經(jīng)使用了26年,但自"聯(lián)盟"飛船出現(xiàn)太空游客后,俄羅斯專家又開始產(chǎn)生了采用"快速對接"的想法.因?yàn)?聯(lián)盟"飛船是非常擁擠的飛船,3名乘員在船內(nèi)只有0.5m3的自由空間,生活艙為1.2m3,在這樣的"盒子"里3個(gè)人飛行50h,繞地球飛行34周,乘員和游客都難以忍受.有過飛行經(jīng)驗(yàn)的航天員普遍認(rèn)為"聯(lián)盟"飛船缺乏舒適性.他們說: "飛船里廁所挨著睡覺的地方,也挨著其他伙伴,還有吃的,這就像在一輛大眾甲殼蟲汽車中生活兩天."

據(jù)俄羅斯能源火箭航天公司專家、"快速對接"飛行模式倡導(dǎo)者和研究者之一穆爾塔津表示,在三四年前專家們就開始考慮這個(gè)問題.當(dāng)時(shí)有一個(gè)太空旅游團(tuán)隊(duì),對于專家來說,快速把他們送到空間站是一個(gè)極具現(xiàn)實(shí)意義的課題,因?yàn)樵?聯(lián)盟"這樣一個(gè)空間非常有限的環(huán)境中飛行50h對于一個(gè)人,特別是對女人來說,的確非常不容易.首位女太空游客、美籍伊朗裔航天員阿努什.安薩里(2006年9月18-29日搭乘聯(lián)盟TMA-9飛船訪問空間站)在兩晝夜的飛行中就出現(xiàn)了一些身體上的狀況.所以,在這樣一個(gè)狹小的空間里,坐這么久非常不舒服,每次有航天員執(zhí)行任務(wù)或返回后,專家們都會(huì)探討這個(gè)問題.專家們意見幾乎一致: "如果有可能進(jìn)行快速飛行,那我們就一定要去做".

還有一種情況是,為了穩(wěn)定飛行及太陽能電池保持恒定向陽,飛船要繞軸線旋轉(zhuǎn),此時(shí)新乘員并不會(huì)感到輕松.此外,由于長時(shí)間無所事事航天員會(huì)感到疲倦.據(jù)專家們研究分析,在發(fā)射后最初幾個(gè)小時(shí)在當(dāng)失重出現(xiàn)時(shí),乘員會(huì)感到精力充沛,狀態(tài)很好,所以應(yīng)當(dāng)在這一時(shí)刻及時(shí)航天員送到空間站.

"聯(lián)盟"飛船第二次生命

采用"快速對接"飛行模式的一個(gè)優(yōu)勢是,在飛行中"聯(lián)盟"飛船能夠節(jié)約近25kg的燃料,這可為飛船增加機(jī)動(dòng)能力.

俄羅斯能源火箭航天公司的專家認(rèn)為,現(xiàn)存在"聯(lián)盟"飛船已經(jīng)過時(shí)、艙內(nèi)環(huán)境對于航天員不舒適的言論,這指的是采用長時(shí)間的飛行模式.如果以后采用了"快速"飛行模式,這個(gè)問題就不再存在了,因?yàn)楹教靻T在飛船飛行的時(shí)間相當(dāng)短,他們不會(huì)產(chǎn)生不舒適的感覺.這實(shí)際上對于飛行40年的"聯(lián)盟"飛船來說是賦予了第二次生命,飛船還存在"發(fā)展和改進(jìn)的可能".

俄方還表示,"快速對接"的最大好處是更能保證飛行乘組的安全,因?yàn)轱w船在太空飛行時(shí)間越長,不可預(yù)測的風(fēng)險(xiǎn)就越大.縮短對接時(shí)間,可進(jìn)一步提高人員和物資的安全系數(shù).由于對接時(shí)間變短,以往航天員和地面控制人員在對接期間要花費(fèi)兩天的時(shí)間,快速對接后大家花費(fèi)的時(shí)間和精力都更少.

4 "快速對接"飛行模式對航天員的影響

"快速對接"對乘組來說最大的優(yōu)點(diǎn)是更舒適.現(xiàn)在裝有數(shù)字控制系統(tǒng)的載人航天飛船更加現(xiàn)代化,更加舒適方便.以往兩天的對接過程,使得3名航天員不得不呆在"聯(lián)盟"飛船狹窄的艙內(nèi),這通常被航天員稱為是一段緊張和不舒服的旅程.飛船與"國際空間站"實(shí)現(xiàn)"快速對接"最大的益處是,地面工作人員和"聯(lián)盟"飛船的航天員都會(huì)感覺更加輕松.

"快速對接"飛行模式對于航天員最大的挑戰(zhàn)是空間運(yùn)動(dòng)病問題.目前已知的空間運(yùn)動(dòng)病(包括錯(cuò)覺)最早可發(fā)生在入軌1h內(nèi),最嚴(yán)重時(shí)為8~12h,一般在飛行后30~48h內(nèi)消退,但在恢復(fù)的速度、適應(yīng)的過程和具體的癥狀上個(gè)體差異大.如果航天員需要進(jìn)行手控操作,飛行2天左右可能操作的精確度更高;如果不考慮手控操作,6h的旅程對于航天員來說會(huì)更加舒適,畢竟提前進(jìn)入大空間艙體要比飛船好.當(dāng)然進(jìn)入空間站并不能縮短適應(yīng)的過程,也存在突然到較大空間不能很好適應(yīng)的情況."快速對接"模式還有待取得航天員的生理參數(shù)后再做出進(jìn)一步評估.

另一個(gè)問題是,航天員從發(fā)射前準(zhǔn)備到對接成功進(jìn)入空間站,必須穿著航天服度過近11h,工作時(shí)長為18~20h,飛行期間不能睡覺.進(jìn)入空間站后,又要馬上投入緊張的工作中.航天員在這一時(shí)間段內(nèi)工作負(fù)荷非常大.

為了適應(yīng)"快速對接"飛行模式,航天員們在發(fā)射前一個(gè)月需要進(jìn)行一些相應(yīng)的地面訓(xùn)練,訓(xùn)練的主要內(nèi)容是加大工作強(qiáng)度,在5~10min內(nèi)完成過去30min的工作量.2013年3月5日,聯(lián)盟 TMA-08М飛船主乘組在"聯(lián)盟"飛船模擬器上采用"快速對接"模式進(jìn)行了測試,取得了"優(yōu)秀"的成績.由于首次采用"快速對接"飛行模式,飛前綜合考核的時(shí)間由2天變?yōu)榱?天. 3月18日,他們在一個(gè)模擬艙中完成故障訓(xùn)練.模擬各種空間突發(fā)事件的飛行前考試標(biāo)準(zhǔn)也為此次任務(wù)作了修改.加加林航天員訓(xùn)練中心原主任謝爾蓋.克里卡廖夫說:"如果一切順利的話,從2013年年底開始前往'國際空間站'的短途飛行模式將成為標(biāo)準(zhǔn)程序,但是短途飛行也有其相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)楹教靻T應(yīng)對突發(fā)事件的時(shí)間也隨之縮短了."

在發(fā)射前的新聞發(fā)布會(huì)上,飛船指令長、俄羅斯航天員帕維爾.維納格拉多夫?qū)τ浾哒f,首先作為航天員,飛船升空4~5h后他們開始經(jīng)歷艱難的失重影響.維諾格拉多夫說:"在最初的時(shí)間,乘組感覺良好,工作正常,當(dāng)他們完成對接過程到達(dá)空間站時(shí)將有更好的狀態(tài).其次行程縮短,意味著'聯(lián)盟'飛船將能夠?yàn)?國際空間站'上的實(shí)驗(yàn)提供更多種類的生物材料,以往為期兩天的行程對保質(zhì)期的要求很高."在飛船與空間站對接成功后,維諾格拉多夫說:"在這么短的時(shí)間,乘員甚至把冰淇淋帶到空間站,可能都不會(huì)融化."

維納格拉多夫同時(shí)表示,"快速對接"模式對于航天員畢竟是全新的嘗試,還不知道在飛行中會(huì)發(fā)生什么.為此,在飛行中所有必備物品特別是藥箱要放在觸手可及的地方,以備應(yīng)急之用.

5 結(jié)束語

美國航天飛機(jī)退役后,俄羅斯"聯(lián)盟"飛船承擔(dān)了獨(dú)往天地間運(yùn)送航天員的重任.然而,在過去的兩年中俄羅斯發(fā)生了多起航天事故,其航天工業(yè)受到嚴(yán)重挫折,影響了其航天大國的形象.為了擺脫發(fā)射失敗的困境,重振航天大國雄風(fēng),俄羅斯加大投入,制定規(guī)劃,采取措施.此次"聯(lián)盟"飛船與"國際空間站"成功快速對接將對俄羅斯恢復(fù)航天大國地位有一個(gè)巨大的推動(dòng)作用,同時(shí)新的飛行模式必將引領(lǐng)新的潮流,開啟新的航天時(shí)代.