科學(xué)號實驗艙：俄航天在拖延中“重整旗鼓”

文/ 張振威

質(zhì)子M火箭送科學(xué)號實驗艙踏上旅途

2021年7月，隨著從2007年起一直因各種原因推遲的科學(xué)號（Nauka）多功能實驗艙成功升空入軌，國際空間站在2011年基本完成建設(shè)后的10年節(jié)點之際，再次接受一個重達(dá)20噸級別的實驗艙段。

俄碼頭號節(jié)點艙騰出位置，以便讓科學(xué)號多功能實驗艙對接國際空間站。這對于自去年起陷入艙段漏氣與設(shè)備故障風(fēng)波的俄羅斯艙段來說，是個可延長其使用壽命的好消息。但在國際空間站未來命運未定的大背景下，還未上天就已落后的“科學(xué)號”到底能在空間實驗上發(fā)揮多大的效能？它對于俄羅斯載人航天事業(yè)又有怎樣的意義？

躺了 10多年的“科學(xué)號”

北京時間2021年7月21日22時58分，隨著第425發(fā)質(zhì)子號運載火箭發(fā)出的呼嘯，科學(xué)號多功能實驗艙發(fā)射升空，隨后進(jìn)入近地點190千米、遠(yuǎn)地點350.1千米、傾角51.6度的預(yù)定軌道，并于7月29號完成了與國際空間站星辰號核心艙節(jié)點對接口的對接工作。

作為國際空間站建設(shè)以來俄羅斯第一個正式的專業(yè)實驗艙，“科學(xué)號”由俄羅斯國家航天集團公司旗下的科羅廖夫能源火箭航天公司與赫魯尼切夫國家航天科研生產(chǎn)中心合作制造與發(fā)射。艙段殼體始建于1995年，建造伊始是作為國際空間站第一個入軌艙段曙光號功能貨艙的地面?zhèn)浞荩小肮δ茇浥?2號”。后于2004年改造成為專業(yè)的實驗艙段，為節(jié)約資金，俄羅斯在10多年前逐步取消了國際空間站上后續(xù)除氣閘艙性質(zhì)的其他實驗艙段建設(shè)計劃。

全能型選手“科學(xué)號”

科學(xué)號實驗艙屬于多功能艙，基本上具備服務(wù)艙+生活艙+實驗艙+貨物艙的全部功能。艙段設(shè)置有加壓隔間、自動對接系統(tǒng)。加壓隔間配置完善的環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)，可以控制循環(huán)風(fēng)機、熱轉(zhuǎn)換器、火警探測設(shè)備等，可以滿足航天員生命保障、艙外活動的指令與數(shù)據(jù)處理、電力、與進(jìn)步號貨運飛船手動對接的需要。它的自動對接系統(tǒng)可以供聯(lián)盟號載人飛船、進(jìn)步號貨運飛船停靠。

科學(xué)號實驗艙艙段長13米，艙段主直徑2.8米，艙段最大直徑4.11米，總重20.3噸，2塊太陽能電池帆板總面積是56平方米，電力供應(yīng)為2.5千瓦，氣密空間為70立方米。該艙艙外規(guī)劃16個實驗設(shè)備的安裝位置，艙內(nèi)有14個安裝位置。艙內(nèi)攜帶有俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)的小型實驗機柜等可選的補充設(shè)備。按照俄官方說法，“科學(xué)號”入軌后將執(zhí)行13項主要實驗科目，為航天生物學(xué)和生理學(xué)、未來航天科技、太空材料學(xué)、宇宙射線物理、對地觀測、太陽系等科研方向的研究提供有利條件。

具體來說，有如下幾大實驗項目：

?半導(dǎo)體與改性碳材料等新型材料的試驗生產(chǎn)；

?恒溫培育蔬菜與孵化鵪鶉等生物實驗；

?研究大氣電離層與太空輻射等物理研究實驗；

?核動力飛船使用的金屬液滴冷卻裝置試驗。

與曙光號功能貨艙相比，“科學(xué)號”安裝了一套更高效的再生式環(huán)控生保系統(tǒng)，使得俄羅斯艙段部分具備了尿液等水再生循環(huán)能力，配備有可高效滿足6名航天員生活需要的制氧機。此外，艙內(nèi)還配備有俄羅斯艙段部分第三個人的居住隔間和第二個衛(wèi)生間。該艙段作為自有動力艙段，具備使用姿態(tài)控制系統(tǒng)發(fā)動機對國際空間站進(jìn)行側(cè)滾控制的能力。該艙段與今年四季度發(fā)射的新節(jié)點艙對接后還將取代“碼頭號”成為新的節(jié)點艙，提供貨運飛船和實驗艙的對接泊位。

此外，與曙光號功能貨艙的外觀不同，“科學(xué)號”艙外攜帶了一個歐洲機械臂、額外散熱板、2.1立方米的節(jié)點艙擴容氣閘艙與節(jié)點觀測舷窗。

研制過程一波三折

“科學(xué)號”是基于曙光號功能貨艙研制，但其制造的歷程卻十分坎坷，受政策、資金、技術(shù)問題影響，一直拖延到今年才滿足發(fā)射條件。

“科學(xué)號”作為曙光號的備份艙，從1995年開始建造，到2000年完成65%的研制進(jìn)度，但受俄羅斯財政狀況影響，一直到2006年年底，科羅廖夫能源火箭航天公司才與原俄羅斯聯(lián)邦航天局簽署了多用途實驗艙的研制合同(任務(wù)代號MLM），“科學(xué)號”的研制走上正軌，并在加加林航天員訓(xùn)練中心建造配套的艙段模擬設(shè)施。最初計劃于2007年發(fā)射。后因加裝歐洲機械臂，推遲至不早于2014年。

到2012年，艙段已經(jīng)在赫魯尼切夫中心完成了多個有效載荷的組裝與測試。基本完成建造工作后，“科學(xué)號”轉(zhuǎn)交至科羅廖夫能源火箭航天公司進(jìn)行自主與綜合測試。此時該模塊被命名為Nauka，這是俄語中“科學(xué)”的意思。

2013年，工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)“科學(xué)號”加注閥門存在泄漏，并發(fā)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)存在污染，艙段被退回赫魯尼切夫中心。當(dāng)時有報道說修理和清理工作需花近10個月，不料這10個月最終變成了4年。

枯燥乏味的清理和修理工作進(jìn)入最后階段，人們終于看到該艙在2017年底或2018年上半年發(fā)射的希望。但是，工程技術(shù)人員隨后在科學(xué)號實驗艙的推進(jìn)劑貯箱里也發(fā)現(xiàn)了他們幾年來一直在奮力清除的相同污染。他們曾試圖把污染物沖洗掉，卻以失敗告終。為了留出貫穿首尾的加壓內(nèi)部通道，“科學(xué)號”的儲箱是成弧形圍繞殼體外側(cè)分布，就像左輪槍的彈倉一樣。這些貯箱是在上世紀(jì)90年代初設(shè)計的，早已停產(chǎn)，難以通過更換來解決問題。幸運的是，曙光號功能貨艙建造完成后還余留了一套較短的貯箱。

成功對接

此次任務(wù)的徽標(biāo)

其間，自2014年起俄羅斯經(jīng)歷烏克蘭危機和內(nèi)部意見分歧等事件的沖擊，項目險些下馬。到2015年底，俄羅斯聯(lián)邦航天集團公司將一份新的合同授予了科羅廖夫能源火箭航天公司，對“科學(xué)號”進(jìn)行改進(jìn)，代號（MLM-U），其中U代表這“升級、改進(jìn)”之意。

可是這并不意味著項目的一帆風(fēng)順。根據(jù)俄媒2017年的報告，備份的貯箱也受到了金屬鋸屑污染，只有沿縱軸切開儲箱進(jìn)行清理這一條路可走。針對污染，俄方曾制造特殊裝置進(jìn)行污染去除，但這一努力最終沒能成功。

而儲箱的碎屑污染只是“科學(xué)號”面臨的麻煩之一。因為“科學(xué)號”在地面儲存過久，艙段的部分橡膠密封件也出現(xiàn)了老化現(xiàn)象，幾乎所有運行在艙外的推進(jìn)劑管線、閥門都必須更換。隨著地面存儲時間越來越長，發(fā)動機已經(jīng)超過了保修期，也必須更換。為了更換那些被污染的推進(jìn)部分，歐空局的機械臂和其他一些設(shè)備被拆下以留足空間。

2019年，俄方?jīng)Q定用聯(lián)盟2號火箭上使用“軍艦鳥”上面級的球型燃料貯箱取代科學(xué)號艙被金屬刨屑污染的燃料箱。新燃料貯箱內(nèi)的燃料加注總量比舊燃料箱內(nèi)的燃料少，因此，需設(shè)計科學(xué)號實驗艙更省燃料的變軌交會對接方案。

俄羅斯地面控制室大屏

即將對接

進(jìn)步MS-16飛船與“碼頭號”分離

作為燃料貯箱，新更換的上面級球型貯箱因為氣囊材料問題，無法再次充氣補充燃料。受此影響，“科學(xué)號”無法通過進(jìn)步號貨運飛船進(jìn)行二次在軌加注，無法為國際空間站提供長期的軌道姿控與維持工作。更重要的是，這也斷絕了科學(xué)號實驗艙未來脫離國際空間站后作為獨立空間站艙段部分自主運營的選擇余地。2019年5月，官方再一次宣布推遲至發(fā)射至不早于2020年10～11月。

“科學(xué)號”對接后國際空間站艙段與飛船情況

此外，科學(xué)號實驗艙的推進(jìn)系統(tǒng)因為閥門管道設(shè)計復(fù)雜，一直存在泄漏的問題。俄方技術(shù)人員在長期處理后確立了如下的設(shè)計方案：在推進(jìn)劑管路中另外安裝6個控制閥門，分為兩組分別控制推進(jìn)系統(tǒng)的燃料部分和氧化劑分支。一旦發(fā)生燃料泄露，可以切斷燃料貯箱與推進(jìn)系統(tǒng)的連接，使“科學(xué)號”在個別發(fā)動機失效的情況下仍然能夠抵達(dá)國際空間站。

科學(xué)號實驗艙對接成功后

發(fā)射之前的笑話

2020年8月11日晚上，科學(xué)號實驗艙終于啟程，在抵達(dá)拜科努爾后開始進(jìn)行一系列準(zhǔn)備測試。這將是最后一個純正“禮炮”血統(tǒng)的空間站艙段，此后俄羅斯規(guī)劃的艙段都是俄羅斯聯(lián)邦在本世紀(jì)全新概念設(shè)計的新艙段。這也是質(zhì)子號火箭最后一次執(zhí)行空間站艙段發(fā)射任務(wù)。

到2021年1月，科學(xué)號實驗艙已經(jīng)完成了80%的地面整體測試與設(shè)備的安裝。歐洲機械臂也抵達(dá)拜科努爾進(jìn)行再次安裝。6月份，科學(xué)號實驗艙完成了機械臂等設(shè)備的最后裝配，真空室試驗、稱重及壓力測試后與級間段組裝，完成合罩，準(zhǔn)備升空了。

7月1日，科羅廖夫能源火箭航天公司的工程師在公開圖片中突然發(fā)現(xiàn)科學(xué)號實驗艙星敏器與紅外探測器熱防護(hù)罩沒有安裝，后被證實，熱防護(hù)罩壓根就沒有生產(chǎn)。

合罩后還未加注燃料的艙段重新推回254號總裝測試廠房。官方在7月8日宣布，緊急安裝熱防護(hù)罩后，“科學(xué)號”于7月21日22點58分準(zhǔn)時發(fā)射。

升空之后狀況頻發(fā)

“科學(xué)號”入軌后接二連三出現(xiàn)狀況。首先是紅外傳感器的測試失敗，再就是航向-A對接系統(tǒng)的雷達(dá)天線未能成功展開。變軌過程中艙段出現(xiàn)了飛控軟件故障，導(dǎo)致其推進(jìn)系統(tǒng)高壓罐與低壓罐之間的壓力平衡出現(xiàn)問題，過早地平衡了高壓區(qū)和低壓區(qū)的壓力，導(dǎo)致燃料無法流動，軌道機動發(fā)動機不能正常點火工作，所幸罐體本身無泄露等異常。為解決壓力平衡問題，俄方在修復(fù)軟件數(shù)據(jù)后使用反作用控制系統(tǒng)發(fā)動機（RCS）進(jìn)行燃料沉底降低低壓區(qū)的壓力，這樣幫助建立高低壓區(qū)的壓力差，燃料流動起來，發(fā)動機進(jìn)行了升軌與姿態(tài)調(diào)整。在成功的進(jìn)行幾次變軌后，于7月29日完成了與國際空間站的對接。

科學(xué)號實驗艙平面示意圖

對接成功后，航天員在穹頂窗戶拍攝到的“科學(xué)號”

科學(xué)號實驗艙對接中

但是，科學(xué)號實驗艙的計算機誤認(rèn)為“科學(xué)號”還沒完成與國際空間站的對接，意外使用姿控發(fā)動機點火推動國際空間站調(diào)整姿態(tài)，直到燃料耗盡才關(guān)閉發(fā)動機，誤點火時長約50分鐘。

聯(lián)盟MS-18成員組航天員地面考察科學(xué)號

隨后，星辰號核心艙和進(jìn)步 MS-17貨運飛船相繼點火修正，但是在科學(xué)號實驗艙點火中止后，仍然導(dǎo)致國際空間站轉(zhuǎn)動角速率超標(biāo)5倍，軸傾斜540°。最終，國際空間站恢復(fù)了正常姿態(tài)。

此后，俄方將花費12個月完成新艙段與國際空間站的整合，包括同原有艙段與歐美艙段各種連接電纜、“碼頭號”拆除的外掛設(shè)備的安裝，氣閘艙與散熱板的安裝，艙段設(shè)備與機械臂的調(diào)試。這階段需要安排9次太空行走，每次太空行走耗時6個半小時。

而2001年發(fā)射并對接國際空間站的碼頭號氣閘艙則于“科學(xué)號”成功發(fā)射后，于7月26日在進(jìn)步MS-16貨運飛船的帶領(lǐng)下一同與國際空間站星辰號核心艙節(jié)點對接口分離，在南太平洋預(yù)定上空化為一道絢麗的流星。

老邁的“星辰號”

從1995年“科學(xué)號”開始制造算起，已經(jīng)走過了26年，同時也是國際空間站第一個艙段曙光號服役超過22年后組裝對接的俄羅斯新艙段。

正在拜科努爾航天發(fā)射場254場區(qū)內(nèi)進(jìn)行總裝作業(yè)的科學(xué)號實驗艙

最近大半年的時間里，國際空間站俄方航天員一直在努力的尋找與修復(fù)星辰號核心艙內(nèi)不斷出現(xiàn)的裂縫，目前只有一些微小的裂縫等待后續(xù)處理，已無大礙。除此之外，星辰號核心艙的制氧裝置與衛(wèi)生設(shè)施多次發(fā)生故障。這些繁瑣的空間站維護(hù)工作很大程度上影響了航天員在軌的工作效率，如聯(lián)盟MS-17的俄方成員組就抽出了超過四分之一的工作時間，進(jìn)行星辰號核心艙的裂縫修復(fù)與設(shè)備維修。直到今天，“星辰號”還在陸續(xù)發(fā)現(xiàn)新的泄漏點。正是因此，俄羅斯國內(nèi)想放棄科學(xué)號實驗艙的聲音逐漸消失，并對其抱有很高的期望，計劃將它作為國際空間站內(nèi)新的核心艙使用。但是“科學(xué)號”并不足以替代星辰號核心艙，首先是其獨立控制能力方面，艙段沒有安裝動量輪；其次是艙段自身無法在軌加注燃料，只能通過其加注管路將燃料輸送至“曙光號”與“星辰號”艙段內(nèi)；再加上其尷尬的加壓容積導(dǎo)致的硬件安裝局限，使得其只能作為星辰號核心艙的有力助手而無法取代“星辰號”。

再入前的“碼頭號”艙段

送別“碼頭號”

舉步維艱的俄航天

2021年4月19日，俄羅斯副總理鮑里索夫正式宣布，由于國際空間站嚴(yán)重老化，俄羅斯的空間站運營合約也將于2024年到期，因此俄羅斯考慮計劃自2025年起退出該項目，并著手建造自己的空間站。

這樣一來，俄羅斯將放棄新設(shè)計的科學(xué)與動力實驗艙2024年后對接至國際空間站的計劃而獨立運行，新的節(jié)點艙也將由進(jìn)步號貨運飛船運輸至新的空間站軌道。

目前規(guī)劃俄方新空間站建成后將有七種類型的艙段：實驗兼核心艙、生產(chǎn)實驗艙、商業(yè)游客艙、氣閘艙、非加壓平臺艙、節(jié)點艙、充氣艙。最有特色的商業(yè)游客艙段配備大型對地舷窗等，滿足太空旅行的游客需求。

不過，俄方權(quán)威網(wǎng)站展示的自建空間站，集體性地省略了科學(xué)號實驗艙，而都將是本世紀(jì)全新設(shè)計的空間站艙段，如新的節(jié)點艙與科學(xué)動力實驗艙。這意味著，如果俄羅斯真的在2025年開始建造自己的獨立空間站，使用才幾年的科學(xué)號實驗艙將會被放棄。此外據(jù)媒體報道，俄羅斯聯(lián)邦航天集團公司正在與美國宇航局就俄方退出國際空間站項目一事進(jìn)行積極接觸，有關(guān)負(fù)責(zé)人暗示俄方愿意“有條件地”向美方轉(zhuǎn)讓國際空間站上的俄羅斯艙段（包括科學(xué)號實驗艙），但該負(fù)責(zé)人同時表示，不排除將除曙光號功能貨艙以外的俄羅斯艙段全部離軌脫離國際空間站。一旦脫離國際空間站，這些艙段將只有進(jìn)入大氣層燒毀的結(jié)局。

作為空間站發(fā)展先驅(qū)的俄羅斯，在空間站的發(fā)展事業(yè)上以“科學(xué)號”跌宕起伏的研制歷程為代表，航天事業(yè)的緩慢步伐逐步讓后來者追上并實現(xiàn)了超越。

俄羅斯當(dāng)然也意識到了這一點。科學(xué)號實驗艙雖然遇到諸多的困難，但對處于體系重建陣痛階段的俄羅斯來說，需要一個綜合項目來重新建設(shè)與鍛煉載人航天工程的體系與研制團隊，這樣一來科學(xué)號實驗艙就有了“重整旗鼓”的重大意義。通過科學(xué)號實驗艙項目的鍛煉，俄羅斯現(xiàn)在也有能力建造新的空間站，但一切都要取決于資金、決策以及俄羅斯航天體系的上下游全力配合。至于科學(xué)號實驗艙未來的結(jié)局與俄羅斯能否如期完成本國空間站的建造，還需拭目以待。