俄羅斯新貨運飛船進步 MS－01首射成功

王霄 （北京空間科技信息研究所）

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俄羅斯新貨運飛船進步 MS－01首射成功

王霄 （北京空間科技信息研究所）

First Successful Launch of Russia′s New Cargo Ship Progress MS-01

莫斯科時間2015年12月21日，聯(lián)盟－2.1a（Soyuz－2.1a）火箭從哈薩克斯坦境內(nèi)的拜科努爾發(fā)射場點火起飛，執(zhí)行新型貨運飛船進步 MS－01（Progress MS－01）的發(fā)射任務(wù)。該飛船首次執(zhí)行向“國際空間站”（ISS）補給貨物的任務(wù)。2015年4月進步M－27M飛船發(fā)生嚴重故障后，俄羅斯相關(guān)專家對火箭和飛船進行了詳盡的排查和硬件的修改，本次聯(lián)盟－2.1a運載火箭和“進步”飛船分離過程十分順利。12月23日，進步MS－01與“國際空間站”順利交會對接，飛船向“國際空間站”運送了約2.5t貨物，包括水、燃料、壓縮氧氣等。此次飛船順利完成任務(wù)，也意味著俄羅斯 2015年度載人航天完美收官。

1　新飛船首飛延遲原因

改進型貨運飛船進步 MS－01攜帶補給到空間站的發(fā)射任務(wù)由原計劃的2015年11月21日延遲至12月21日，主要原因是受2015年4月進步 M－27M發(fā)射失敗的影響。2015年4月28日，進步 M－27M飛船在拜科努爾發(fā)射場發(fā)射時發(fā)生嚴重故障，這是聯(lián)盟－2.1a火箭攜帶的第二艘“進步”飛船，而聯(lián)盟－2.1a即將接替原計劃于2016或2017年退役的聯(lián)盟－U火箭。

該火箭將飛船運送到的軌道高于與“國際空間站”對接的預定軌道，數(shù)次嘗試控制飛船失敗后，飛船脫離近地軌道并在太平洋上方的稠密大氣層中分離。俄羅斯跨部門委員會經(jīng)深入調(diào)查后稱，聯(lián)盟－2.1a運載火箭與貨運飛船的設(shè)計特性引起了火箭燃料艙降壓，造成“聯(lián)盟”火箭第三級與“進步”飛船的“緊急分離”。因此，為提供更充足的時間進行審查和硬件的修改，進步 MS系列飛船的首次發(fā)射時間延遲1個月。考慮到這是新飛船的首飛，因此采取2天的傳統(tǒng)交會對接方式，確保進步 MS－01飛船能夠在新年之前飛抵空間站。

由于進步 MS－01飛船飛行任務(wù)時間表的變更，2016年上半年飛往“國際空間站”的載人飛船和貨運飛船整個日程都進行了調(diào)整。進步 MS－02由原定的2016年2月2日延遲到3月31日，第3艘進步MS飛船由6月延遲到7月4日。載人飛船發(fā)射時間表也將發(fā)生變化，為安全起見，在聯(lián)盟 MS系列飛船發(fā)射之前需發(fā)射2艘“進步”新飛船，因此，原計劃于3月19日飛往“國際空間站”的聯(lián)盟 MS－01飛船將由聯(lián)盟TMA－20M代替。

2　任務(wù)方案

進步 MS－01飛船發(fā)射時借助465t的推力，“聯(lián)盟”火箭垂直上升，在俯仰和滾轉(zhuǎn)前進入典型的東北向漂移軌道，傾角為51.66°。火箭4個助推器全部啟動工作近2min，消耗每個助推器中超過39000kg的助推劑運送“聯(lián)盟”火箭入軌。同助推器順利分離后，“聯(lián)盟”火箭點燃其芯級至T+4min46s，RD－108A發(fā)動機在燃燒了超過100t的推進劑后關(guān)閉。火箭芯級關(guān)閉后，第三級發(fā)動機RD－110點火，并啟動級間分離系統(tǒng)。第三級火箭分離持續(xù)了3min58s，飛船同火箭第三級順利分離，成功進入預定軌道。

入軌后，無線電追蹤被用來確定“進步”飛船的軌道插入精確參數(shù)，任務(wù)控制中心的數(shù)據(jù)顯示，軌道參數(shù)都在給定范圍之內(nèi)，因此“進步”飛船可以與空間站進行為期2天的交會，且無需改變飛行方案。

到達200km的軌道高度后，進步 MS－01首先與地面站聯(lián)系，隨后當飛船駛出地面站范圍后，將其新的相控陣通信天線指向地球靜止軌道上的射線－5V （Luch－5V）衛(wèi)星，以便通過其與任務(wù)控制中心聯(lián)絡(luò)。與美國的“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）系統(tǒng)相似，利用地球靜止軌道的衛(wèi)星向更低軌道上的飛船傳遞和獲取中繼數(shù)據(jù)，提供不間斷的通信，這標志著俄羅斯的飛船首次使用地球同步衛(wèi)星進行通信，目前“射線”包括3顆衛(wèi)星，能夠覆蓋飛船日常軌道的83%。地面站仍將用于向“進步”和“聯(lián)盟”飛船發(fā)送上行鏈路指令和遙測下行，同時，如果在與“射線”衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)問題，地面站還將起到備份作用。

在飛船繞地球飛行的第3圈，進步 MS－01飛船啟動了其KTDU－80主推進系統(tǒng)，以便從279km的軌道高度升至400km的軌道高度，從下方和后方持續(xù)追趕空間站。第三次軌道上升機動于2015年12月22日執(zhí)行，細微地調(diào)整其軌跡為自動對接做準備。

北京時間2015年12月23日16：54，“航向”（Gals）系統(tǒng)被激活，新的航向－NA系統(tǒng)天線開始尋找從“國際空間站”上的航向－P系統(tǒng)發(fā)出的信號。接收到信號后，航向－NA自動定向進步 MS－01飛船，使天線指向“國際空間站”，以保證飛船航向和測量俯仰角。

飛行15km后，進步 MS－01飛船對“航向”系統(tǒng)進行了再一輪測試，并確認運行良好。隨后對遙控操作器遠程控制設(shè)備（TORU）進行測試，但因為通信問題，該遠程控制設(shè)備未做出回應(yīng)。因此，進步MS－01在沒有備份只依賴“航向”系統(tǒng)的情況下，最后逼近空間站并進行自動對接。“進步”飛船隨后進行了3次交會脈沖點火，為啟動繞飛程序做好準備。繞飛程序按照原計劃進行，并進行了一個滾轉(zhuǎn)試驗，定位“進步”飛船的太陽能電池陣，飛船將所有相對速度調(diào)零，以便執(zhí)行短暫的位置保持，給“國際空間站”的乘員以及任務(wù)控制中心小組進行校準的時間。

北京時間2015年12月23日18：27，飛船探針滑入碼頭號對接艙椎體，完成捕獲，依靠感應(yīng)點，飛船啟動助推器將其插入，隨后“國際空間站”切換到自由漂移模式。隨后俄羅斯乘員在打開進步 MS－01飛船艙門前進行了標準的泄露檢查，進步 MS－01飛船預計在“國際空間站”停留8個月，直到2016年7月返回。

3　進步 MS飛船

新飛船改進細節(jié)

同之前的“進步”系列飛船一樣，進步MS－01貨運飛船由貨運艙、補加艙和儀器/推進艙3個艙段構(gòu)成。進步 MS－01飛船是俄羅斯的新型貨運飛船，“進步”飛船的整體設(shè)計可以追溯到20世紀70年代，是基于“聯(lián)盟”載人飛船設(shè)計的。“進步”飛船于1978年執(zhí)行了首次任務(wù)，運送補給至俄羅斯禮炮－6空間站。多年來，“進步”飛船的設(shè)計進行許多修改和改進，先后研制并發(fā)射了“進步”、進步 M和進步 M1三種型號。進步 M－M是進步 M的子型號，于2008年首飛。在改進技術(shù)進行升級的同時，“進步”飛船能夠保證整體設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性，目前只發(fā)生過極少數(shù)的故障。

在保證“聯(lián)盟”載人飛船和“進步”貨運飛船的整體共性基礎(chǔ)上，俄羅斯在“進步”飛船上引入了新系統(tǒng)，隨后在升級“聯(lián)盟”飛船之前先對改進型貨運飛船進行廣泛的評估，然后再對“聯(lián)盟”飛船進行改造升級，同“進步”飛船更名一樣，屆時新型載人飛船將由聯(lián)盟 TMA－M更名為聯(lián)盟 MS。

這些改進和變化將不會使得新型“進步”飛船外觀有顯著變化，除了飛船上可展開天線的數(shù)量以及引入了用于搭載立方體衛(wèi)星的外部隔艙。進步 MS－01飛船搭載聯(lián)盟－2.1a升空，使其能夠向“國際空間站”運送更多的貨物。目前飛船仍與聯(lián)盟－U火箭相容，聯(lián)盟－U火箭預計將于2016年或2017年退役，期間，俄羅斯將實現(xiàn)由聯(lián)盟－U到聯(lián)盟－2.1a的平穩(wěn)過渡，以保證其中任何一型火箭出了問題，另一型火箭仍能向“國際空間站”執(zhí)行運輸任務(wù)。

（1）遙測與通信系統(tǒng)

相比進步 M飛船，新飛船模擬遙測系統(tǒng)換成了一個較小的數(shù)據(jù)遙測系統(tǒng)（MBITS）。而由烏克蘭制造的帶有饋線天線的量子－V無線電通信系統(tǒng)也更換為新的“統(tǒng)一指揮遙測系統(tǒng)”（EKTS），這一舉動結(jié)束了俄羅斯依賴烏克蘭為其生產(chǎn)制造天線、饋線和通訊電子產(chǎn)品的歷史。此外，新飛船的遙測和指揮系統(tǒng)可以使用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星射線－5與地面任務(wù)控制中心保持實時聯(lián)絡(luò)，并在飛船軌道不在俄羅斯地面站范圍之內(nèi)的期間仍可接收中繼指令。此外，飛船在交會期間可與空間站建立接近通信鏈路，因此相對導航作為飛船導航數(shù)據(jù)的額外來源。新飛船配備有“全球定位系統(tǒng)”（GPS）和“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GLONASS）接收器，以確定準確時間，進行狀態(tài)向量的計算和定軌，使得機動目標更精確，甚至飛船本身都不用再依賴雷達跟蹤，之前雷達跟蹤只能在通過地面站時進行。

進步MS飛船上的新飛行控制系統(tǒng)SUD，之前只能依靠地面站來測量航天器的軌道參數(shù)，升級后首次使用GLONASS導航衛(wèi)星，能夠通過機載計算機自主進行軌跡測量。飛船控制系統(tǒng)、機載軟件和通信系統(tǒng)上所做出的改進使得從模擬到數(shù)字視頻傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)，從而在近旁操作過程中改進視頻質(zhì)量。

（2）交會設(shè)備

飛船現(xiàn)有的航向－A交會對接設(shè)備將升級為使用俄羅斯國產(chǎn)現(xiàn)代化電子元器件的航向－NA系統(tǒng)。“進步”和“聯(lián)盟”飛船上的“航向”系統(tǒng)是基于無線電的系統(tǒng)，可以保證航天器能夠完全實現(xiàn)自主交會、最終逼近和對接序列。“航向”系統(tǒng)使用由目標飛行器發(fā)送到追蹤飛行器天線的信號來確定其視線角和始于距離200km的遠交會節(jié)面角，航向、視線角度線及近交會的距離和距離變化率。 新系統(tǒng)的外部元件中，新的AO－ 753A天線代替了2AO－VKA天線和3個AKR－VKA天線，但是保留了上一代2ASF－M－VKA天線。

進步 MS飛船主要參數(shù)

航向－NA使得烏克蘭制造的組件從系統(tǒng)中徹底清除，而提供了整體質(zhì)量更輕，系統(tǒng)能力更強的組件。航向－NA不僅需要更少的天線，而且將為“進步”和“聯(lián)盟”飛船與空間站對接帶來更精確的測量結(jié)果。

經(jīng)過改進的飛船還將得到額外保護，抵御太空垃圾和微流星對貨倉的撞擊。為了提高耐受力，在對接機構(gòu)中將引入備用電機。飛船將安裝新的發(fā)光二極管著陸燈，在運動控制和導航系統(tǒng)中將應(yīng)用最新的衛(wèi)星導航設(shè)備。新的“進步”飛船還改進了相機系統(tǒng)，使用數(shù)字視頻向“國際空間站”和地面站提供更高質(zhì)量的圖像。

外部來看，進步 MS－01飛船引入了可以從外部部署的機制，具備釋放立方體衛(wèi)星的能力，在每個外部隔艙都可安裝4個小衛(wèi)星發(fā)射箱。從進步MS系列的第3艘飛船開始，每一艘進步MS飛船都將攜帶4個發(fā)射箱，以攜帶24顆立方體衛(wèi)星升空，每顆小衛(wèi)星尺寸約為10cm長。根據(jù)俄羅斯聯(lián)邦航天局的消息稱，進步 MS飛船的大部分設(shè)計方案將會使用到下一代飛船PTK NP上。

運載火箭

“聯(lián)盟”火箭是世界上發(fā)射次數(shù)最多，服役時間最長的多用途運載火箭，自1960年開始研制，火箭在1963年11月完成首飛，1964年進行首次載人發(fā)射，“聯(lián)盟”火箭進行了多次改型，50多年來進行了多次改型至今仍在使用。俄羅斯目前主要利用“聯(lián)盟”火箭進行載人航天活動，主要用于向“國際空間站”運送“聯(lián)盟”載人飛船和“進步”貨運飛船。為確保航天員的飛行安全，對火箭結(jié)構(gòu)作了必要的加強，某些關(guān)鍵部件和線路采用重復系統(tǒng)和降額準則，加強了全面質(zhì)量管理工作，并在整流罩頂端安裝了逃逸救生塔。對于非載人飛行任務(wù)，則可用逃逸救生塔緊急回收有效載荷。

聯(lián)盟－2.1a是俄羅斯發(fā)展的新一代主力運載火箭，與之前的“聯(lián)盟”火箭結(jié)構(gòu)基本一致，但控制系統(tǒng)從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字控制，使聯(lián)盟號發(fā)射更加靈活。

聯(lián)盟－2.1a運載火箭主要參數(shù)

4　結(jié)束語

本次俄羅斯大膽使用新火箭發(fā)射新貨運飛船，并且成功完成向“國際空間站”運送補給任務(wù)，再次彰顯了俄羅斯的航天實力。“進步”貨運飛船為“國際空間站”和站上工作人員提供了堅實的保障和支撐，發(fā)揮了不可或缺的重要作用。

繼2010－2012年俄羅斯連續(xù)多次發(fā)生重大航天事故后，俄羅斯政府痛定思痛，出重拳改革航天工業(yè)，希望根除弊病，加強質(zhì)量監(jiān)管，避免重復工作，提高生產(chǎn)效率，形成垂直的硬性管理模式，為重振俄羅斯航天大國雄風奠定堅實基礎(chǔ)。2015年度俄羅斯發(fā)射成功率與2014年相比有顯著提升，航天實力也處于穩(wěn)步恢復中。

王曉宇/本文編輯

2015年第四季度航天器發(fā)射統(tǒng)計

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