“聯(lián)盟TMA”飛船的現(xiàn)代化再造

□ 李浩悅 編譯

2010年10月8日，俄羅斯“聯(lián)盟TMA-M”載人飛船于順利飛往國(guó)際空間站。該飛船是2002年發(fā)射的“聯(lián)盟TMA”飛船的最新現(xiàn)代化改型，俄羅斯“能源”火箭航天集團(tuán)第一副總設(shè)計(jì)師、飛船系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師葉甫蓋尼·安納托利耶維奇·米克林向本刊戰(zhàn)略合作伙伴俄羅斯《航天新聞》記者介紹了這艘新飛船的一些特點(diǎn)。

記者：葉甫蓋尼·安納托利耶維奇先生，請(qǐng)您介紹一下“聯(lián)盟TMA”飛船改造工作的情況！

葉甫蓋尼：改造聯(lián)盟“TMA”飛船的主要目的是為了發(fā)展科技和生產(chǎn)潛力，為制造俄羅斯未來(lái)的運(yùn)輸飛船做準(zhǔn)備。這項(xiàng)工作所取得的經(jīng)驗(yàn)和成果，可以用來(lái)探索和論證新型飛船的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)方案和組織管理措施。

同時(shí)，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備改造和軟件升級(jí)，使“聯(lián)盟TMA-M”飛船成為現(xiàn)代化的載人宇宙飛船。

記者：對(duì)飛船進(jìn)行升級(jí)改造的想法是何時(shí)產(chǎn)生的，又是怎樣發(fā)展的？

葉甫蓋尼：自國(guó)際空間站上“星辰”號(hào)服務(wù)艙發(fā)射上天以后，我們積累了研制數(shù)字控制系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。

聯(lián)盟TMA-M飛船在總裝廠房

“聯(lián)盟”系列飛船已經(jīng)運(yùn)營(yíng)了40多年，它是世界上最可靠的載人飛船。“聯(lián)盟”飛船也經(jīng)歷了數(shù)次升級(jí)改進(jìn)，每一次改進(jìn)，都使其能力得到擴(kuò)展，可靠性、安全性和效率得到提升。相應(yīng)地，飛船的名字也有所改變，從最初的“聯(lián)盟”變?yōu)椤奥?lián)盟T”、“聯(lián)盟TM”及“聯(lián)盟TMA”。2010年10月8日發(fā)射的“聯(lián)盟TMA-M”，它是“聯(lián)盟TMA”的升級(jí)型號(hào)。就控制系統(tǒng)變化的規(guī)模和程度而言，該飛船在很大程度上也可以認(rèn)為是“聯(lián)盟”飛船的第四次現(xiàn)代化改造產(chǎn)品。

升級(jí)改造工作可以劃分為三個(gè)階段，第一階段是制造基礎(chǔ)型的“聯(lián)盟-TMA”飛船（它于2002年飛往國(guó)際空間站）。該飛船應(yīng)用了：KS020-М降落控制計(jì)算機(jī)、帶六軸加速計(jì)的線性加速度測(cè)量組件，帶計(jì)算機(jī)的“海王星”-ME航天員操縱臺(tái)。

首艘聯(lián)盟TMA-M飛船在總裝測(cè)試

第二階段是制造“進(jìn)步M-M”貨運(yùn)飛船，它于2008年夏季開(kāi)始試飛。飛船上原來(lái)以“氬”-16中心計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的計(jì)算系統(tǒng)，被更換為能夠在飛行中持續(xù)工作的新計(jì)算系統(tǒng)。新的計(jì)算系統(tǒng)由Submicron公司研制，應(yīng)用了CVM101中心計(jì)算機(jī)和BUS101-1與BUS101-2協(xié)調(diào)部件。CVM101是現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)，配有RISC 3081處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法。飛船上還安裝有新的MBITS數(shù)字遙測(cè)系統(tǒng)。此外，在控制系統(tǒng)中單軸陀螺儀三軸加速計(jì)被改換為沿錐面配置的五軸BIPS-M加速計(jì)，從而提高了設(shè)備的可靠性，并且沿飛船三個(gè)機(jī)體軸線使用測(cè)量信息加速計(jì)。BIPS-M是新控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的器件。貨運(yùn)飛船控制系統(tǒng)的軟件也進(jìn)行了升級(jí)，“進(jìn)步M-01M”飛船執(zhí)行各種狀態(tài)的控制工作后剩余的資源（只讀存儲(chǔ)器、運(yùn)算存儲(chǔ)器、周期程序工作時(shí)間）達(dá)到60%，證實(shí)其能夠用于新的“聯(lián)盟TMA-M”飛船。

最后，第三個(gè)階段就是研制“聯(lián)盟TMA-M”載人飛船。該飛船中使用了升級(jí)改造的“海王星”操縱臺(tái)，它安裝了新型的計(jì)算、信息顯示設(shè)備、新的接口和軟件。操縱臺(tái)的硬件設(shè)備于2009年在“聯(lián)盟TMA”上進(jìn)行了測(cè)試。

“聯(lián)盟TMA-M”飛船上所有的計(jì)算機(jī)設(shè)備，如CVM101、KS020-M和操縱臺(tái)計(jì)算機(jī)都連入統(tǒng)一的計(jì)算網(wǎng)中，形成飛船數(shù)字計(jì)算綜合體（BCVK）。飛船與空間站對(duì)接以后，BCVK與國(guó)際空間站俄羅斯艙段的計(jì)算系統(tǒng)可集成起來(lái)。這樣，飛船上所有的信息都可以與空間站的控制系統(tǒng)互聯(lián)互通。例如，當(dāng)載有航天員的飛船執(zhí)行向地面緊急返回的情況下，可以在“聯(lián)盟TMA-M”飛船的BCVK更改導(dǎo)航信息，這也便于執(zhí)行正常的返回任務(wù)。復(fù)雜的一體化控制系統(tǒng)能夠在現(xiàn)代化水平下控制國(guó)際空間站俄羅斯艙段。

“聯(lián)盟TMA-M”飛船CVM101計(jì)算機(jī)軟件的核心與“進(jìn)步”M-M飛船相當(dāng)。在編寫(xiě)載人飛船控制系統(tǒng)軟件的過(guò)程中采用了新的算法，修改了靠近、停泊控制算法，其自動(dòng)駕駛調(diào)節(jié)能力和非正常情況下的穩(wěn)定性更好，可靠性也得到提高。在對(duì)接過(guò)程中減緩了對(duì)接速度，降低了誤差，也降低了空間站的工作量，有利于延長(zhǎng)空間站的壽命。

記者：請(qǐng)?jiān)俅魏?jiǎn)短復(fù)述一下“聯(lián)盟TMA-M”新穎之處

葉甫蓋尼：它們是：

·制造一體化的飛船控制系統(tǒng)

·能夠連接承擔(dān)軌道操縱任務(wù)的中心計(jì)算機(jī)CVM101

·返回控制計(jì)算機(jī)KS020-M

·新型操縱臺(tái)“海王星”

·MBITS遙測(cè)系統(tǒng)

·所有與新設(shè)備關(guān)聯(lián)的接口

·飛船數(shù)字計(jì)算綜合體軟件

記者：我們?cè)凇澳茉础被鸺教旒瘓F(tuán)公司網(wǎng)站上見(jiàn)到，飛船的結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了70千克，這是在完成所有改造后的結(jié)果嗎？

葉甫蓋尼：的確是這樣，這是飛船結(jié)構(gòu)減輕的質(zhì)量，這主要是通過(guò)應(yīng)用CVM101計(jì)算機(jī)和MBITS遙測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

聯(lián)盟TMA-M飛船在軌飛行

聯(lián)盟TMA-M飛船結(jié)構(gòu)圖

記者：返回艙內(nèi)部的容積及返回質(zhì)量有變化嗎？

葉甫蓋尼：控制系統(tǒng)設(shè)備大部分變化主要觸及的都是儀器艙。返回艙基本沒(méi)有變化。

記者：飛船的自主飛行時(shí)間以及在空間站上停留的時(shí)間是否和從前一樣？

葉甫蓋尼：這些都和過(guò)去一樣。

記者：使用的元器件，是俄羅斯還是國(guó)外生產(chǎn)的？

葉甫蓋尼：當(dāng)然，我們也希望盡量使用俄羅斯生產(chǎn)的元器件，我們?cè)谧鲞@方面的努力。但實(shí)際上，我們使用的既有俄羅斯的元器件，也有國(guó)外的。拿計(jì)算設(shè)備來(lái)說(shuō)，有95%的元器件產(chǎn)自俄羅斯、白俄羅斯和烏克蘭。CVM101計(jì)算機(jī)和處理器、存儲(chǔ)器是按照我們的認(rèn)證要求在國(guó)外生產(chǎn)的。從2011年開(kāi)始，CVM101將使用國(guó)產(chǎn)的1890BM1T處理器。

記者：在早期的“聯(lián)盟”飛船上，隨航工程師起著非常重要的作用，現(xiàn)在指令長(zhǎng)能夠獨(dú)立執(zhí)行所有的操作管理嗎？

葉甫蓋尼：飛船的駕駛策略是多年形成的。目前經(jīng)過(guò)修正的、可靠的、非常好的人機(jī)界面，清楚地界定了指令長(zhǎng)和隨航工程師的作用。應(yīng)當(dāng)指出，我們以與國(guó)際空間站的工作程序?yàn)楸尘皩?duì)飛船進(jìn)行了改進(jìn)，人機(jī)界面以及某些操作策略有了一些變化，但都是很小的。新的“聯(lián)盟TMA-M”飛船基本保持了過(guò)去的操作界面。當(dāng)然，隨著新的“海王星”操縱臺(tái)的應(yīng)用，航天員的能力得到擴(kuò)展。還應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，飛船指令長(zhǎng)亞歷山大·卡列里和其他一些航天員也參與了新飛船控制系統(tǒng)的研制。

記者：地面飛行控制中心有什么變化嗎？

葉甫蓋尼：為了確保現(xiàn)代化數(shù)字設(shè)備的工作，飛行控制中心安裝了新的管理控制設(shè)備。已經(jīng)在“進(jìn)步M-M”飛船的飛行中對(duì)飛行控制工作進(jìn)行了改變。例如，在軟件程序中，能夠?qū)Λ@取的遙測(cè)信息進(jìn)行分析，并根據(jù)分析做出調(diào)整。在“聯(lián)盟TMA-M”飛船上，這樣的工作也在繼續(xù)。這可以使飛行控制中心和飛船上的人員工作更加舒適。

進(jìn)步M-M貨運(yùn)飛船

裝配中的進(jìn)步M-M貨運(yùn)飛船

記者：原來(lái)的“氬”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的可靠性，新計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性是怎樣保障的？

葉甫蓋尼：系統(tǒng)工程方法、模塊化結(jié)構(gòu)、靈活的控制方式、能力更強(qiáng)的新軟件，它們奠定了飛船控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，在制造CVM101計(jì)算機(jī)和BUS101設(shè)備的過(guò)程中，保持了三重冗余和硬件多數(shù)制原則。并且隨著集成度的提高，電子元器件的數(shù)量顯著減少，與基于“氬”中心計(jì)算機(jī)的飛船數(shù)字計(jì)算綜合體相比，系統(tǒng)設(shè)備的可靠性也得到了提高。“聯(lián)盟TMA-M”飛船上新的數(shù)字計(jì)算綜合體軟件經(jīng)歷了充分的模擬和調(diào)試。這些措施可以保障控制回路可靠工作，從而實(shí)現(xiàn)了“聯(lián)盟TMA-M”飛船自動(dòng)執(zhí)行飛行任務(wù)。

記者：發(fā)射準(zhǔn)備工作及自主飛行和對(duì)接時(shí)有何特點(diǎn)？

葉甫蓋尼：要知道，飛船控制系統(tǒng)、飛行控制中心的程序保障、航天員機(jī)組的技術(shù)準(zhǔn)備程序都有所改變。此外，所有的工作都與國(guó)際空間站的飛行程序步調(diào)一致。同時(shí)，現(xiàn)代化的軟件減輕了這些工作的負(fù)擔(dān)。如果出現(xiàn)某種故障，他們也能夠盡快找出原因及解決措施。飛船飛行、入軌、與國(guó)際空間站交會(huì)對(duì)接都是自動(dòng)完成的，這是個(gè)了不起的成就。

記者：“聯(lián)盟TMA”的完善工作是否還要繼續(xù)？

葉甫蓋尼：當(dāng)然要繼續(xù)。首先，要增加飛船數(shù)字化控制系統(tǒng)的功能。例如，使用衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備來(lái)測(cè)量軌道參數(shù)。目前，這些工作還需要靠地面測(cè)量站對(duì)軌道進(jìn)行無(wú)線電監(jiān)控。此外，打算把已經(jīng)過(guò)時(shí)的“量子”無(wú)線電設(shè)備更換為統(tǒng)一指揮遙測(cè)系統(tǒng)（EKTS）；為了提高手動(dòng)控制狀態(tài)下的可靠性，需將其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到數(shù)千米遠(yuǎn)；打算在控制系統(tǒng)中引入激光測(cè)距儀；準(zhǔn)備為“航向”靠近儀更換更加現(xiàn)代化的元器件，使其質(zhì)量更輕；還將為CVM101的軟件程序增加新儀器設(shè)備的控制算法。這些工作預(yù)計(jì)還需要大約兩年的時(shí)間。

記者：最近經(jīng)常出現(xiàn)關(guān)于“月球”號(hào)飛船消息，是否可以認(rèn)為，新飛船的出現(xiàn)，使得環(huán)繞月球旅行的可能性又接近了呢？

葉甫蓋尼：對(duì)于飛往月球、火星及其它天體來(lái)說(shuō)，還需要很多必要條件。例如，需要大推力的運(yùn)載火箭、兆瓦級(jí)核動(dòng)力軌道拖船（目前我們正在做），需要一些政策性的文件、企業(yè)和組織機(jī)構(gòu)的協(xié)作、相應(yīng)的經(jīng)費(fèi)保障等。當(dāng)這些條件都具備的時(shí)候，我們就可以討論，在什么時(shí)候及如何飛行。

總之，繞著月球飛行的任務(wù)已經(jīng)完成了，我們還要再重復(fù)嗎？?jī)H僅是環(huán)繞月球飛行？或是運(yùn)載游客們?nèi)ビ^光？這需要更加全面地去審視，要在國(guó)家層面，或者在全球的計(jì)劃下慎重分析這樣的飛行計(jì)劃。

記者：歐空局曾提議基于“聯(lián)盟”號(hào)飛船的聯(lián)合研制俄-歐飛船乘員太空運(yùn)輸系統(tǒng)（Crew Space Transportation System），這個(gè)問(wèn)題商議的結(jié)果怎樣？

葉甫蓋尼：歐空局是俄羅斯航天局的重要合作伙伴。現(xiàn)在就雙方公布的消息來(lái)看，關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的談判還沒(méi)有開(kāi)展。看起來(lái)歐洲人已經(jīng)放棄了聯(lián)合研制，盡管我們一起在制造ATV（自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器）貨運(yùn)飛船。現(xiàn)在他們想要基于ATV制造自己的載人飛船。從貨運(yùn)到載人還有很長(zhǎng)一段路要走，要完成它并非易事。

聯(lián)盟TMA-M飛船座艙內(nèi)部一隅