俄羅斯擴建“國際空間站”情況分析

苑藝 何慧東（北京空間科技信息研究所）

莫斯科時間2021年11月24日16:06（北京時間2021年11月24日21:06），俄羅斯在拜科努爾航天中心利用聯盟－2.1b（Soyuz－2.1b）運載火箭成功將進步M－UM（Progress M－UM）飛船發射入軌，將停泊號節點艙（Prichal）送往“國際空間站”（ISS）。俄羅斯圍繞提升“國際空間站”應用能力，在現有艙段基礎上進一步部署新艙段，本次任務是繼科學號多功能實驗艙（Nauka）之后的第2次擴建任務，任務完成后標志著“國際空間站”俄羅斯艙段的擴建工作完成。

1 項目背景

“國際空間站”是由美國、俄羅斯主導，共計16個國家參與建造和運行的大型空間基礎設施，是目前在軌運行的最大空間平臺，支持微重力環境下的科學實驗和長期人類活動。“國際空間站”于1998年正式開始在軌建造，于2011年基本完成大規模組件的在軌組裝，全面進入在軌應用和維護階段，后續繼續部署少量艙段進一步擴展其在軌能力。

“國際空間站”整體上可以劃分為美國艙段和俄羅斯艙段，俄羅斯在其中發揮了關鍵作用。至2011年大規模建造階段結束時，俄羅斯艙段包括曙光號（Zarya）功能貨艙、星辰號（Zvezda）服務艙、碼頭號（Pirs）對接艙、搜索號（Poisk）迷你研究艙－2、破曉號（Rassvet）迷你研究艙－1等5個艙段。俄羅斯艙段在軌規模較大，但在軌應用能力仍存在一定欠缺。在“國際空間站”全部66批長期考察組中，俄羅斯航天員占總任務人次數的40%以上，但開展實驗僅占“國際空間站”實驗項目總數的約20%。

為此，俄羅斯在“國際空間站”設計和建造階段即計劃在已有艙段基礎上，逐步補充部署科學號多功能實驗艙（Nauka）、停泊號節點艙（Prichal）、科學-動力艙（HEM）等3個新艙段，逐步提升應用能力。隨著“國際空間站”已有艙段老化，俄羅斯變更原擴建方案，將科學-動力艙改用作俄羅斯軌道服務站（ROSS）的艙段，僅向“國際空間站”部署科學號、停泊號等2個新艙段。

“國際空間站”俄羅斯艙段部分建造完成后示意圖

最初，俄羅斯計劃在2009年部署科學號多功能實驗艙，由于設計方案修改和研制階段發生多次問題，新艙段的發射日期多次推遲。最終，科學號于2021年7月成功部署。隨后，停泊號節點艙于2021年11月發射，完成“國際空間站”俄羅斯艙段的全部擴建工作。

2 擴建任務情況

科學號多功能實驗艙相關情況

（1）艙體情況

科學號多功能實驗艙是“國際空間站”最大的艙段之一，同時是繼美國命運號（Destiny）、歐洲哥倫布號（Columbus）和日本希望號（Kibo）后第4個大型科學實驗艙。

科學號項目最早可以追溯到1995年，其前身是“國際空間站”首個艙段曙光號功能貨艙的備份，又名FGB－2。1998年，曙光號成功發射后，FGB－2的研制工作被擱置。2004年，俄羅斯決定簡化“國際空間站”俄羅斯艙段部分構型，以FGB－2為基礎打造科學號多功能實驗艙。

科學號由俄羅斯航天國家集團出資，能源火箭航天集團抓總，聯合赫魯尼切夫國家航天科研生產中心（ISS Khrunichev）等企業共同研制。科學號主要由儀器加壓艙和球形加壓適配器組成，在軌質量20350kg，全長13.12m，最大直徑4.25m，加壓艙體積70m3，太陽電池陣面積56m2，供電功率2.5kW，設計壽命15年。科學號包含應用、生保、推進、飛控、熱控等多個分系統，相互配合支持其在軌穩定運行。

科學號多功能實驗艙結構圖

（2）部署過程

科學號多功能實驗艙于2020年8月完成研制和測試，從赫魯尼切夫國家航天科研生產中心出廠，運往拜科努爾航天發射場。2021年7月21日，質子－M（Proton－M）火箭點火發射，成功將科學號多功能實驗艙送入預定軌道。科學號入軌后，在軌飛行8天，成功對接至“國際空間站”。科學號與“國際空間站”對接約3小時后，站上乘員將科學號飛行控制計算機與空間站計算機網絡連接，并對系統進行空氣檢漏，隨后按計劃打開艙門。在此過程中，科學號發生軟件故障，錯誤執行了指令，意圖使科學號撤離空間站，推進系統發動機計劃外點火，導致空間站姿態失穩，在約半小時內在軌翻轉1.5圈。為了維持“國際空間站”姿態，星辰號服務艙進行了補償點火。利用星辰號服務艙姿態控制系統和進步MS－17貨運飛船對空間站進行姿態控制，使旋轉速度逐漸慢下來直至停止，隨后反向旋轉約0.5圈后恢復正常姿態。

（3）任務安排

科學號多功能實驗艙與“國際空間站”成功對接后，將開展為期12個月的在軌安裝與調試工作，主要分為4個階段：①對科學號進行在軌組裝，包括安裝氣閘艙、附加散熱器以及大尺寸設備固定裝置；②對科學號系統及接口功能進行檢測，確保其與俄羅斯艙段部分連接正常；③用已經運抵空間站的工具和科學設備對科學號進行改造；④制定艙段工作模式、飛行操作以及異常情況處置機制。

科學號多功能實驗艙投入使用后，將進一步擴展“國際空間站”俄羅斯艙段部分的在軌能力，可增加俄羅斯艙段的工作和生活空間，開展科學與應用研究，支持歐洲機械臂工作等。科學號能夠用于“國際空間站”的滾轉控制，在初期用于臨時對接進步MS貨運飛船、聯盟－MS載人飛船，后續永久性對接停泊號（Prichal）節點艙。

停泊號節點艙相關情況

（1）艙體情況

停泊號節點艙是“國際空間站”俄羅斯艙段的重要組成部分，于2007年提出計劃，2011年完成初步設計并獲得批準，2014年完成研制。由于科學號多功能實驗艙研制進度多次推遲，停泊號節點艙轉入封存狀態。

停泊號節點艙為帶有6個對接口的加壓球形艙段，質量為4650kg，長4.91m，直徑3.3m，內部加壓空間19m3，設計壽命超過30年。在6個對接口中，1個為主動對接口（天頂方向），用于與“國際空間站”科學號對接，另5個為被動對接口，用于支持其他飛船、艙段等對接。停泊號節點艙安裝在科學號多功能實驗艙天底點，與曙光號、星辰號等艙段之間留出了足夠空間，其他航天器對接時能夠有效避免干擾。停泊號天底方向的對接口能夠支持雙向的燃料加注，并能夠通過航向（Kurs）系統自動對接，同時配備了曾經和平號空間站（Mir）使用的里亞帕（Lyappa）小型機械臂，支持艙段/飛船轉位操作。

在未來的標準任務中，“聯盟”載人飛船優先對接于停泊號、破曉號，“進步”貨運飛船優先對接于星辰號、搜索號。這是因為星辰號尾段存在輕微裂痕導致空氣泄漏，平時需要盡可能關閉尾段艙門，如果對接“聯盟”飛船將阻斷乘員應急登船通道，且“進步”飛船對接在尾段有利于利用其主發動機對“國際空間站”進行軌道維持。同時，“進步”飛船也優先對接于搜索號，因為搜索號目前作為俄羅斯艙段的氣閘艙，在太空行走過程中成為真空狀態，若“聯盟”飛船對接搜索號，緊急情況下不利于航天員撤離。

停泊號節點艙結構圖

（2）部署過程

停泊號節點艙于2021年7月完成各項研制測試工作，從俄羅斯能源火箭航天集團（RSC Energia）出廠，運往拜科努爾航天發射場。停泊號節點艙由進步M飛船送往“國際空間站”，本次任務對進步M飛船進行了改裝，去掉了貨艙，在飛船前部安裝了停泊號節點艙，形成的組合體稱為進步M－UM。2021年11月24日，聯盟－2.1b運載火箭點火發射，成功將進步M－UM送入預定軌道，在軌飛行2天后，進步M－UM與“國際空間站”科學號實驗艙天底點對接。停泊號節點艙裝載了700kg貨物，包括食物、個人防護設備、凈水器、維修設備、衛生用品和藥品等，支持“國際空間站”第66長期考察組工作和生活。

進步M飛船將在軌停留約30天，之后再入大氣層燒毀。隨后，俄羅斯計劃安排6次太空行走，完成“國際空間站”、科學號實驗艙、停泊號節點艙的各項設備安裝和線路連接工作。

3 幾點分析

（1）俄羅斯艙段應用成效長期受限

“國際空間站”計劃的最初目的是建造大型近地軌道平臺，在軌開展科學研究和技術試驗，實現長期空間生存和工作。為此，“國際空間站”總體設計選擇了桁架掛艙式結構，以桁架為基礎，加壓艙和其他服務設施掛靠在桁架上，這種結構能夠提供較寬闊的設備安裝區，保證各類觀測設備不受阻擋，并支持大面積太陽能電池翼的安裝。但在實際運行過程中，參與國出于成本等考慮，縮減了空間站的功能和規模，在此情況下桁架掛艙式結構的優勢并不突出，且建造和維護較為復雜，需要數十次發射才能完成部署；同時由于各艙段不具備可替換性，整個系統十分龐大且昂貴。

蘇聯解體后，俄羅斯于1993年加入“國際空間站”計劃，對于總體方案的控制力不足，主要工作針對俄羅斯艙段的設計。俄羅斯通過參與“國際空間站”項目，在曙光號建造、“聯盟”飛船座位等方面獲得了美國的資金，保持了本國載人航天能力延續發展。但從俄羅斯艙段的發展路徑看，1998－2001年主要部署了曙光號功能貨艙、星辰號服務艙、碼頭號對接艙，主要提供空間站運行所需基本功能；在2009年、2010年才部署了搜索號、破曉號迷你研究艙，開展小規模在軌應用；科學號多功能實驗艙由于經費、技術等原因，進度多次拖延，從原計劃2009年發射推遲至2021年發射，距離“國際空間站”首個艙段部署達23年。在很長一段時間內，俄羅斯從事空間站建造和維護相關工作遠遠多于在軌應用相關工作，取得效益相對有限。

停泊號節點艙對接（左）和進步M飛船分離（右）

（2）擴建完成后，俄羅斯艙段在軌能力大幅提升

隨著科學號多功能實驗艙、停泊號節點艙的部署，“國際空間站”俄羅斯艙段的能力大幅提升。

在任務能力方面，一是航天員支持能力增強，科學號多功能實驗艙為俄羅斯航天員增設了第3個鋪位、第2個衛生間，此前由于缺乏工作和居住空間，俄羅斯若有3名航天員同時在軌則需要在美國艙段借宿，2017年俄羅斯將在軌航天員數量從3人減至2人，科學號成功部署后極大改善了航天員在軌生活與工作條件。二是對接能力增強，為了支持“聯盟”“進步”飛船對接，滿足任務重疊期間的對接需求，“國際空間站”俄羅斯艙段保持有4個對接口可用，停泊號節點艙部署后，俄羅斯標準的對接/停泊口數量增加至8個，能夠進一步提升未來任務的靈活性。

在應用能力方面，“國際空間站”建造和運營期間，俄羅斯長期面臨任務規模和應用規模不匹配的問題，承擔了大量空間站建造和維護工作（任務人次數超過40%），但開展在軌應用相對較少（實驗項目數約20%）。美國于2001年部署了命運號實驗艙，歐洲、日本分別在2008年部署了哥倫布號、希望號實驗艙；而俄羅斯則在2009年、2010年部署了搜索號、破曉號迷你研究艙，但相關艙段規模較小，并非專用研究設施，兼具科學實驗、對接、出艙等多種功能，限制了俄羅斯開展在軌實驗的能力。新部署的科學號多功能實驗艙內部及外部共設有30余個通用工位，將成為俄羅斯開展在軌實驗的主要場所；科學號利用載荷氣閘艙和歐洲機械臂，可以實現高度自動化操作，在艙內即可遙控操作開展艙外實驗，大幅降低航天員執行出艙任務的必要性，顯著提升空間站應用效率。

（3）俄羅斯提前布局后“國際空間站”時代

運動坎 持之以恒的運動可以改善心臟功能，不要因為天氣寒冷而久臥不動。心臟功能不好的人要在太陽出來后再運動，運動強度要適當，時間應控制在1小時以內，最好選擇散步、慢跑、打太極拳等運動。遇大風降溫天氣最好不出門運動，可以在室內適當活動。

為了保持近地軌道載人航天活動的連續性，美國尋求“國際空間站”進一步延壽，從2024年擴展至2028/2030年。俄羅斯最初積極開展“國際空間站”延壽研究，但2019年至今，星辰號服務艙發生空氣泄漏事件后，俄羅斯在2021年4月提出由于艙段老化，計劃2025年開始建造獨立的俄羅斯軌道服務站。美國方面認為，此舉是由于“載人龍”等商業載人飛船取得成功后，俄羅斯無法再通過向美國出售“聯盟”飛船座位獲得資金，因此以退出“國際空間站”計劃作為籌碼，讓美國承擔未來空間站延壽的資金。

無論“國際空間站”延壽與否，國外均已著眼后“國際空間站”時代，開展提前研究和布局。俄羅斯方面，最初提出在“國際空間站”退役后，以俄羅斯艙段新部署的科學號、停泊號等為基礎，構建獨立的軌道飛行與實驗空間站（OPSEK），除了開展近地軌道載人航天活動外，還能夠支持載人月球和深空探測，因此，科學號、停泊號等艙段在設計時均考慮了未來獨立建站的需求。隨后，該計劃被俄羅斯軌道服務站取代，首個艙段為原先計劃部署到“國際空間站”的科學-動力艙。俄羅斯軌道服務站計劃采用開放式構型，當某一艙段資源/壽命耗盡后，可以用新的艙段替換，通過逐漸定期更新，空間站將具備永久在軌工作能力。

（4）俄羅斯具備較強應急處置能力

俄羅斯在“國際空間站”擴建任務過程中，多次發生異常事件，地面控制人員及時有效處置，成功化解危機，確保了任務成功和航天員安全。

在科學號發射后，高壓燃料罐和低壓燃料罐提前進行壓力平衡，壓力超過主發動機工作范圍，主發動機無法工作，與“國際空間站”交會對接任務面臨挑戰。俄羅斯地面控制人員研究后，首先利用小推力發動機點火進行初步軌道機動，消耗部分燃料后，燃料罐壓力降至可工作范圍，主發動機再行點火，最終實現與“國際空間站”交會。

科學號對接后，推進系統突然進行異常點火導致空間站失穩，翻轉約1.5圈。地面控制中心及時決策，首先要求航天員關閉舷窗，避免推進劑污染舷窗表面；之后根據航天員報告，及時關注周圍碎片情況，避免撞擊風險；同時沒有過分干預，有序利用各個姿控系統恢復空間站姿態，避免過度操作導致進一步失控。

在常規運行期間，以航天員安全為第一原則，始終注重保持應急登船通道暢通。俄羅斯將“聯盟”載人飛船優先對接于科學號、破曉號，航天員出艙、關閉星辰號尾段艙門等并不影響應急通道的建立，緊急情況下，航天員可以最快速度撤離至“聯盟”飛船避險。

（5）俄羅斯航天工業管理問題嚴峻

在研制階段，科學號發生多項缺陷，包括燃料管道中發現金屬屑、金屬屑擴散至燃料箱、燃料箱泄漏等，直接導致科學號多功能實驗艙研制進度大幅推遲，從最早計劃2009年發射多次推遲到2021年，停泊號2014年完成研制后被迫長期封存。在發射場測試階段，科學號安裝整流罩時，敏感器未包裹隔熱材料，導致重新退回廠房。在運行階段，科學號發射后由于軟件錯誤致使主發動機無法工作，與“國際空間站”對接后，錯誤執行了指令，推進系統異常點火導致空間站姿態失穩等。

事故、異常或問題發生在從研制到測試、再到運行的各個階段，影響了艙段部署進度，并對系統運行、空間站安全帶來了不利影響，折射出俄羅斯航天工業管理問題，質量形勢較為嚴峻。

4 結束語

科學號多功能實驗艙、碼頭號節點艙發射后，不僅豐富了“國際空間站”俄羅斯艙段的實驗設備，同時豐富了實驗手段，大幅提升俄羅斯在軌應用能力。與此同時，在俄羅斯新艙段的研制和部署任務中，存在諸多問題，包括科學號項目從立項到成功發射經歷二十余年，導致項目后期不斷出現系統老化、零件過期等問題，造成大量的人力物力損耗；任務實施一波三折，在發射前發現關鍵敏感器件缺乏熱防護，發射后出現數據異常，軟件錯誤導致主發動機無法點火，對接后異常點火導致空間站翻轉等。俄羅斯在項目管理、質量管控、應急處置等方面的經驗教訓值得思考。