俄罗斯新货运飞船进步 MS－01首射成功

2016-05-24 11:32王霄北京空间科技信息研究所

国际太空 2016年3期

王霄（北京空间科技信息研究所）

王霄（北京空间科技信息研究所）

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

莫斯科时间2015年12月21日，联盟－2.1a（Soyuz－2.1a）火箭从哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射场点火起飞，执行新型货运飞船进步 MS－01（Progress MS－01）的发射任务。该飞船首次执行向“国际空间站”（ISS）补给货物的任务。2015年4月进步M－27M飞船发生严重故障后，俄罗斯相关专家对火箭和飞船进行了详尽的排查和硬件的修改，本次联盟－2.1a运载火箭和“进步”飞船分离过程十分顺利。12月23日，进步MS－01与“国际空间站”顺利交会对接，飞船向“国际空间站”运送了约2.5t货物，包括水、燃料、压缩氧气等。此次飞船顺利完成任务，也意味着俄罗斯 2015年度载人航天完美收官。

1　新飞船首飞延迟原因

改进型货运飞船进步 MS－01携带补给到空间站的发射任务由原计划的2015年11月21日延迟至12月21日，主要原因是受2015年4月进步 M－27M发射失败的影响。2015年4月28日，进步 M－27M飞船在拜科努尔发射场发射时发生严重故障，这是联盟－2.1a火箭携带的第二艘“进步”飞船，而联盟－2.1a即将接替原计划于2016或2017年退役的联盟－U火箭。

该火箭将飞船运送到的轨道高于与“国际空间站”对接的预定轨道，数次尝试控制飞船失败后，飞船脱离近地轨道并在太平洋上方的稠密大气层中分离。俄罗斯跨部门委员会经深入调查后称，联盟－2.1a运载火箭与货运飞船的设计特性引起了火箭燃料舱降压，造成“联盟”火箭第三级与“进步”飞船的“紧急分离”。因此，为提供更充足的时间进行审查和硬件的修改，进步 MS系列飞船的首次发射时间延迟1个月。考虑到这是新飞船的首飞，因此采取2天的传统交会对接方式，确保进步 MS－01飞船能够在新年之前飞抵空间站。

由于进步 MS－01飞船飞行任务时间表的变更，2016年上半年飞往“国际空间站”的载人飞船和货运飞船整个日程都进行了调整。进步 MS－02由原定的2016年2月2日延迟到3月31日，第3艘进步MS飞船由6月延迟到7月4日。载人飞船发射时间表也将发生变化，为安全起见，在联盟 MS系列飞船发射之前需发射2艘“进步”新飞船，因此，原计划于3月19日飞往“国际空间站”的联盟 MS－01飞船将由联盟TMA－20M代替。

2　任务方案

进步 MS－01飞船发射时借助465t的推力，“联盟”火箭垂直上升，在俯仰和滚转前进入典型的东北向漂移轨道，倾角为51.66°。火箭4个助推器全部启动工作近2min，消耗每个助推器中超过39000kg的助推剂运送“联盟”火箭入轨。同助推器顺利分离后，“联盟”火箭点燃其芯级至T+4min46s，RD－108A发动机在燃烧了超过100t的推进剂后关闭。火箭芯级关闭后，第三级发动机RD－110点火，并启动级间分离系统。第三级火箭分离持续了3min58s，飞船同火箭第三级顺利分离，成功进入预定轨道。

入轨后，无线电追踪被用来确定“进步”飞船的轨道插入精确参数，任务控制中心的数据显示，轨道参数都在给定范围之内，因此“进步”飞船可以与空间站进行为期2天的交会，且无需改变飞行方案。

到达200km的轨道高度后，进步 MS－01首先与地面站联系，随后当飞船驶出地面站范围后，将其新的相控阵通信天线指向地球静止轨道上的射线－5V （Luch－5V）卫星，以便通过其与任务控制中心联络。与美国的“跟踪与数据中继卫星”（TDRS）系统相似，利用地球静止轨道的卫星向更低轨道上的飞船传递和获取中继数据，提供不间断的通信，这标志着俄罗斯的飞船首次使用地球同步卫星进行通信，目前“射线”包括3颗卫星，能够覆盖飞船日常轨道的83%。地面站仍将用于向“进步”和“联盟”飞船发送上行链路指令和遥测下行，同时，如果在与“射线”卫星进行数据传输过程中出现问题，地面站还将起到备份作用。

在飞船绕地球飞行的第3圈，进步 MS－01飞船启动了其KTDU－80主推进系统，以便从279km的轨道高度升至400km的轨道高度，从下方和后方持续追赶空间站。第三次轨道上升机动于2015年12月22日执行，细微地调整其轨迹为自动对接做准备。

北京时间2015年12月23日16：54，“航向”（Gals）系统被激活，新的航向－NA系统天线开始寻找从“国际空间站”上的航向－P系统发出的信号。接收到信号后，航向－NA自动定向进步 MS－01飞船，使天线指向“国际空间站”，以保证飞船航向和测量俯仰角。

飞行15km后，进步 MS－01飞船对“航向”系统进行了再一轮测试，并确认运行良好。随后对遥控操作器远程控制设备（TORU）进行测试，但因为通信问题，该远程控制设备未做出回应。因此，进步MS－01在没有备份只依赖“航向”系统的情况下，最后逼近空间站并进行自动对接。“进步”飞船随后进行了3次交会脉冲点火，为启动绕飞程序做好准备。绕飞程序按照原计划进行，并进行了一个滚转试验，定位“进步”飞船的太阳能电池阵，飞船将所有相对速度调零，以便执行短暂的位置保持，给“国际空间站”的乘员以及任务控制中心小组进行校准的时间。

北京时间2015年12月23日18：27，飞船探针滑入码头号对接舱椎体，完成捕获，依靠感应点，飞船启动助推器将其插入，随后“国际空间站”切换到自由漂移模式。随后俄罗斯乘员在打开进步 MS－01飞船舱门前进行了标准的泄露检查，进步 MS－01飞船预计在“国际空间站”停留8个月，直到2016年7月返回。

3　进步 MS飞船

新飞船改进细节

同之前的“进步”系列飞船一样，进步MS－01货运飞船由货运舱、补加舱和仪器/推进舱3个舱段构成。进步 MS－01飞船是俄罗斯的新型货运飞船，“进步”飞船的整体设计可以追溯到20世纪70年代，是基于“联盟”载人飞船设计的。“进步”飞船于1978年执行了首次任务，运送补给至俄罗斯礼炮－6空间站。多年来，“进步”飞船的设计进行许多修改和改进，先后研制并发射了“进步”、进步 M和进步 M1三种型号。进步 M－M是进步 M的子型号，于2008年首飞。在改进技术进行升级的同时，“进步”飞船能够保证整体设计的可靠性和稳定性，目前只发生过极少数的故障。

在保证“联盟”载人飞船和“进步”货运飞船的整体共性基础上，俄罗斯在“进步”飞船上引入了新系统，随后在升级“联盟”飞船之前先对改进型货运飞船进行广泛的评估，然后再对“联盟”飞船进行改造升级，同“进步”飞船更名一样，届时新型载人飞船将由联盟 TMA－M更名为联盟 MS。

这些改进和变化将不会使得新型“进步”飞船外观有显著变化，除了飞船上可展开天线的数量以及引入了用于搭载立方体卫星的外部隔舱。进步 MS－01飞船搭载联盟－2.1a升空，使其能够向“国际空间站”运送更多的货物。目前飞船仍与联盟－U火箭相容，联盟－U火箭预计将于2016年或2017年退役，期间，俄罗斯将实现由联盟－U到联盟－2.1a的平稳过渡，以保证其中任何一型火箭出了问题，另一型火箭仍能向“国际空间站”执行运输任务。

（1）遥测与通信系统

相比进步 M飞船，新飞船模拟遥测系统换成了一个较小的数据遥测系统（MBITS）。而由乌克兰制造的带有馈线天线的量子－V无线电通信系统也更换为新的“统一指挥遥测系统”（EKTS），这一举动结束了俄罗斯依赖乌克兰为其生产制造天线、馈线和通讯电子产品的历史。此外，新飞船的遥测和指挥系统可以使用数据中继卫星射线－5与地面任务控制中心保持实时联络，并在飞船轨道不在俄罗斯地面站范围之内的期间仍可接收中继指令。此外，飞船在交会期间可与空间站建立接近通信链路，因此相对导航作为飞船导航数据的额外来源。新飞船配备有“全球定位系统”（GPS）和“全球导航卫星系统”（GLONASS）接收器，以确定准确时间，进行状态向量的计算和定轨，使得机动目标更精确，甚至飞船本身都不用再依赖雷达跟踪，之前雷达跟踪只能在通过地面站时进行。

进步MS飞船上的新飞行控制系统SUD，之前只能依靠地面站来测量航天器的轨道参数，升级后首次使用GLONASS导航卫星，能够通过机载计算机自主进行轨迹测量。飞船控制系统、机载软件和通信系统上所做出的改进使得从模拟到数字视频传输能够实现，从而在近旁操作过程中改进视频质量。

（2）交会设备

飞船现有的航向－A交会对接设备将升级为使用俄罗斯国产现代化电子元器件的航向－NA系统。“进步”和“联盟”飞船上的“航向”系统是基于无线电的系统，可以保证航天器能够完全实现自主交会、最终逼近和对接序列。“航向”系统使用由目标飞行器发送到追踪飞行器天线的信号来确定其视线角和始于距离200km的远交会节面角，航向、视线角度线及近交会的距离和距离变化率。新系统的外部元件中，新的AO－ 753A天线代替了2AO－VKA天线和3个AKR－VKA天线，但是保留了上一代2ASF－M－VKA天线。

进步 MS飞船主要参数

航向－NA使得乌克兰制造的组件从系统中彻底清除，而提供了整体质量更轻，系统能力更强的组件。航向－NA不仅需要更少的天线，而且将为“进步”和“联盟”飞船与空间站对接带来更精确的测量结果。

经过改进的飞船还将得到额外保护，抵御太空垃圾和微流星对货仓的撞击。为了提高耐受力，在对接机构中将引入备用电机。飞船将安装新的发光二极管着陆灯，在运动控制和导航系统中将应用最新的卫星导航设备。新的“进步”飞船还改进了相机系统，使用数字视频向“国际空间站”和地面站提供更高质量的图像。

外部来看，进步 MS－01飞船引入了可以从外部部署的机制，具备释放立方体卫星的能力，在每个外部隔舱都可安装4个小卫星发射箱。从进步MS系列的第3艘飞船开始，每一艘进步MS飞船都将携带4个发射箱，以携带24颗立方体卫星升空，每颗小卫星尺寸约为10cm长。根据俄罗斯联邦航天局的消息称，进步 MS飞船的大部分设计方案将会使用到下一代飞船PTK NP上。

运载火箭

“联盟”火箭是世界上发射次数最多，服役时间最长的多用途运载火箭，自1960年开始研制，火箭在1963年11月完成首飞，1964年进行首次载人发射，“联盟”火箭进行了多次改型，50多年来进行了多次改型至今仍在使用。俄罗斯目前主要利用“联盟”火箭进行载人航天活动，主要用于向“国际空间站”运送“联盟”载人飞船和“进步”货运飞船。为确保航天员的飞行安全，对火箭结构作了必要的加强，某些关键部件和线路采用重复系统和降额准则，加强了全面质量管理工作，并在整流罩顶端安装了逃逸救生塔。对于非载人飞行任务，则可用逃逸救生塔紧急回收有效载荷。

联盟－2.1a是俄罗斯发展的新一代主力运载火箭，与之前的“联盟”火箭结构基本一致，但控制系统从模拟转换到数字控制，使联盟号发射更加灵活。