王永生 周生東 （中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心）

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俄羅斯改進(jìn)型載人飛船聯(lián)盟-MS

王永生 周生東 （中國(guó)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(jì)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(duì)外宣稱(chēng)，新型飛船將于2016年6月21日發(fā)射前往“國(guó)際空間站”。

1　開(kāi)發(fā)聯(lián)盟-MS載人飛船的必要性

“聯(lián)盟”飛船實(shí)現(xiàn)首飛后經(jīng)過(guò)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(jì)算機(jī)（KC-020M）、線(xiàn)性速度測(cè)量部件、航天員控制臺(tái)（Нептун-МЭ）。此后又使用了新的船載數(shù)字計(jì)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(cè)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(yùn)飛船上使用，經(jīng)過(guò)成功飛行試驗(yàn)后，又在“聯(lián)盟”飛船上安裝使用。在沒(méi)有影響飛行計(jì)劃、沒(méi)有中斷太空飛行、沒(méi)有進(jìn)行任何“聯(lián)盟”飛船試驗(yàn)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(guó)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(guò)船載無(wú)線(xiàn)電技術(shù)系統(tǒng)（БРТК）量子-B來(lái)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(dòng)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(lèi)無(wú)線(xiàn)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(guò)之前對(duì)飛船的改進(jìn)，幾乎更換了所有船載自動(dòng)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(wú)線(xiàn)電技術(shù)設(shè)備的問(wèn)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)。“卡瑪”地面站則是用于保障飛船軌道參數(shù)的測(cè)量（無(wú)線(xiàn)電監(jiān)控）。

2009年初，俄羅斯聯(lián)邦航天局著手解決存在的問(wèn)題。因?yàn)椤傲孔印焙汀翱ì敗钡孛嬲疽淹Ｖ故褂?，?wèn)題已無(wú)法回避，需要馬上開(kāi)發(fā)出替代品。

此外還存在一個(gè)問(wèn)題，就是船載運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)儀器的電子元器件供貨問(wèn)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(hào)轉(zhuǎn)換部件（БПО）已經(jīng)沒(méi)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(kāi)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(jì)算機(jī)技術(shù)。目前，針對(duì)大數(shù)據(jù)挖掘、存儲(chǔ)以及處理等問(wèn)題，國(guó)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(tái)。

對(duì)此類(lèi)船載系統(tǒng)和儀器的更換必然會(huì)導(dǎo)致對(duì)空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和綜合控制系統(tǒng)的重大調(diào)整，開(kāi)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(duì)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(lái)。

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(duì)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(guó)際空間站”對(duì)接的聯(lián)盟 TMA-03M和進(jìn)步M-13M飛船

首先，船載無(wú)線(xiàn)電指令系統(tǒng)量子- B （Квант-В）換成了統(tǒng)一的遙測(cè)指令系統(tǒng)（ЕКТС），該系統(tǒng)具有附加的遙測(cè)通道。實(shí)際上，在聯(lián)盟 TMA-M和進(jìn)步 M-M飛船上已經(jīng)對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)改進(jìn)，屬于小型的信息遙測(cè)系統(tǒng)（МБИТС），具有執(zhí)行遙測(cè)指令系統(tǒng)（ЕКТС）的功能。新的遙測(cè)指令系統(tǒng)將具有通用功能：無(wú)線(xiàn)電指令線(xiàn)路通過(guò)射線(xiàn)-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(wú)線(xiàn)電可見(jiàn)范圍，達(dá)到了1圈（軌道）長(zhǎng)度的70%。

俄羅斯的射線(xiàn)-5中繼衛(wèi)星

其次，新飛船將使用新的船載無(wú)線(xiàn)電技術(shù)對(duì)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(yùn)飛船上進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。與航向-HA相比，新系統(tǒng)在質(zhì)量、尺寸和動(dòng)力特性方面進(jìn)行了優(yōu)化，將取消一副復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)（一共3副天線(xiàn)）。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(wú)線(xiàn)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(cè)狀態(tài)下進(jìn)行了試運(yùn)行。經(jīng)過(guò)全面的分析后，計(jì)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能。這為飛船定位提供功能儲(chǔ)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(huì)。換句話(huà)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)電軌道監(jiān)控器簡(jiǎn)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(dú)立的飛船交會(huì)對(duì)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(lèi)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?？亢投ㄎ豢刂平M件-1和信號(hào)轉(zhuǎn)換部件（БПС）。同時(shí)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(kāi)發(fā)，它拓展了運(yùn)動(dòng)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(wèn)題。

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

需要指出的是，為了替換同類(lèi)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(wú)線(xiàn)電線(xiàn)路來(lái)完成。

由于配套產(chǎn)品的停產(chǎn)還將對(duì)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(huà)電報(bào)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(cè)系統(tǒng)（МБИТС）一樣，在功能上與統(tǒng)一的遙測(cè)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(guó)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(guò)獨(dú)立于空間站的無(wú)線(xiàn)電指令線(xiàn)路來(lái)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(wú)線(xiàn)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(dòng)力方面，這次沒(méi)有大的變化。

專(zhuān)家們?cè)诼?lián)盟-MS和進(jìn)步-MS飛船中所做的工作，對(duì)于現(xiàn)在和將來(lái)研發(fā)新一代載人飛船，無(wú)論在方法上、技術(shù)上還是組織上，都有借鑒價(jià)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其改進(jìn)

在現(xiàn)行的“聯(lián)盟”飛船計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，包括了中央計(jì)算機(jī)（ЦВМ-101）、計(jì)算機(jī)（KC-020M）、控制臺(tái)（Непун-МЭ）。中央計(jì)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(huì)對(duì)接問(wèn)題等。計(jì)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(jì)算機(jī)之間通過(guò)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(jì)算機(jī)，如此布局已相當(dāng)可觀。這種布局有很大的優(yōu)勢(shì)，并得到了檢驗(yàn)。據(jù)專(zhuān)家介紹，“聯(lián)盟”飛船以后不會(huì)再有這方面的改進(jìn)計(jì)劃。新一代“聯(lián)邦”載人飛船將進(jìn)行新的調(diào)整和布局，因?yàn)樾乱淮w船將要拓展其返回的能力。

4　聯(lián)盟-MS飛船飛行試驗(yàn)及下一步的改進(jìn)計(jì)劃

進(jìn)步-MS已于2015年底進(jìn)行了首飛，聯(lián)盟-MS原計(jì)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(kāi)始飛行后，各系統(tǒng)和設(shè)備都有備用品，至少會(huì)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(zhuān)家介紹，在聯(lián)盟-MS飛船使用后，“聯(lián)盟”系列飛船將不會(huì)再有大的改進(jìn)，因?yàn)樾枰鼡Q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(huì)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(jì)劃將下降控制系統(tǒng)和應(yīng)急搶險(xiǎn)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(yùn)載火箭聯(lián)盟-2，這也是需要解決的問(wèn)題，因?yàn)轱w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(shí)還沒(méi)有延長(zhǎng)飛行時(shí)間的計(jì)劃，目前飛船可飛行7.5個(gè)月。如果需要，可將飛船飛行時(shí)間延長(zhǎng)至1年，以此來(lái)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(tái)（Непун-МЭ）的接口，當(dāng)時(shí)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(gè)人完全可以對(duì)聯(lián)盟-MS飛船進(jìn)行控制。

Improved Russian Human Spacecraft Soyuz-MS