联盟 MS－14飞船对接中止事件及任务特点

苑艺 何慧东（北京空间科技信息研究所）

2019年8月22日，俄罗斯成功发射联盟 MS－14（Soyuz MS－14）载人飞船，经历首次交会对接异常中止后，俄方采取紧急处置措施，飞船随后成功与“国际空间站”自动交会对接。异常事件原因是“国际空间站”上“航向”（Kurs）系统故障。2019年9月，经过一系列排查和检修，航天员修复“航向”系统故障，系统恢复正常运行。

1 发射任务概况

莫斯科时间2019年8月22日06:38:32，俄罗斯在拜科努尔航天发射场第31发射台利用联盟－2.1a运载火箭成功将联盟 MS－14载人飞船发射进入预定轨道。

此次任务为联盟 MS飞船与联盟－2.1a火箭首次结合后的无人试验飞行任务。为充分利用系统的运载能力，飞船没有安装乘员支持系统，转而向“国际空间站”运送约660kg货物，包括站上有效载荷、科学设备、药物、食物、消耗性设备、乘员个人物品等。此外，联盟 MS－14飞船搭载了俄罗斯首个人形机器人—天空机器人F－850（Skybot F－850），该机器人之前也称为“最终试验演示项目研究”（FEDOR，也称“费奥多尔”）。

Skybot F－850天空机器人

2 联盟 MS－14首次交会对接中止事件

联盟 MS－14飞船采用48h飞行方案，原计划发射后飞行2天，于2019年8月24日08:30与“国际空间站”交会对接。然而，在飞船与空间站搜索号（Poisk）迷你研究舱－2（MRM2）最后对接阶段，飞船在距离空间站约90m处悬停，自动交会对接系统无法锁定对接目标，传回的实时视频显示飞船姿态出现明显晃动，俄罗斯专家判断该异常现象意味着自动对接模式失败。通常在自动交会对接系统发生故障的情况下，“联盟”载人飞船将启动备份方案，由航天员手动操作完成对接；“进步”（Progress）货运飞船则启用“远程对接控制器”（TORU）遥控操作模式，由站上航天员接管飞船，遥控完成对接。由于联盟 MS－14飞船为无人飞行任务，船上的人形机器人尚未掌握手动对接技术，飞船也没有配备货运飞船上的TORU系统，因此俄方讨论后决定中止联盟 MS－14飞船与空间站对接。俄罗斯地面飞行控制中心指示站上航天员亚历山大·斯克沃尔佐夫（Aleksandr Skvortsov）通过站上的控制面板向飞船发出中止对接指令，随后飞船飞离空间站。

美国国家航空航天局（NASA）此前曾对载人飞船执行非载人任务并采用自动对接模式表示过担忧，认为一旦自动对接系统出现故障可能会导致飞船无法对接，因为飞船上缺乏远程控制系统，且船上的人形机器人在船内的活动受到限制，其无法作为指令长执行手动对接任务。在联盟 MS－14飞船与空间站对接出现异常情况后，NASA第一时间向站上的美国和欧洲航天员通报了情况，并要求航天员处于冷静状态。

3 故障处置情况

事件原因判断

初步调查结果显示，导致对接失败的原因是空间站上的“航向”自动交会对接系统出现故障，地面飞行控制中心的工程师发现搜索号迷你研究舱－2上的一部放大器没有正常工作。该放大器属于“航向”交会雷达系统的无源（被动）部分，与“联盟”飞船上的“航向”雷达系统有源（主动）部分相互配合工作。“航向”系统有源部分向空间站发送信号来确定飞船与空间站之间的距离和相对速度，飞船根据反馈数据通过推进器点火控制飞船相对空间站的速度和方向。

紧急处置方案

发生对接异常事件后，俄方最初决定由站上俄罗斯航天员更换空间站搜索号迷你研究舱－2上的“航向”自动交会对接系统放大器，经地面确认修复后，于对接中止事件2天后再次尝试交会对接。随后经过研判，俄方最终确定把对接口改为星辰号（Zvezda）服务舱的方案，在对接中止事件3天后，实施联盟MS－14飞船与“国际空间站”的第二次对接尝试。

最终确定的事件整体处置方案如下：

1）8月25日，俄方对联盟 MS－14飞船进行轨道修正，为第二次对接尝试做准备。

2）8月25－26日，航天员为联盟 MS－13飞船的重新对接进行准备工作，包括使用站上的模拟器进行重新对接训练，熟练掌握操作步骤。

3）8月26日06:34－06:59，“国际空间站”第60长期组的3名航天员：俄罗斯籍亚历山大·斯克沃尔佐夫、意大利籍卢卡·帕尔米塔诺（Luca Parmitano）和美国籍安德鲁·摩根（Andrew Morgan）穿着“斯科尔”（Sokol）舱内航天服进入联盟 MS－13飞船。斯克沃尔佐夫手动操作联盟MS－13飞船与星辰号服务舱分离，飞船沿速度方向退后并悬停，沿轴向滚转调整姿态，然后机动至搜索号迷你研究舱－2上方约80m，随后飞船手动对接在搜索号迷你研究舱－2上，整个过程耗时25min。为确保航天员安全，3名航天员均进入联盟 MS－13飞船中，如果当飞船移位过程出现异常时，航天员将搭乘飞船在轨停留，若异常无法解决，联盟 MS－13飞船将搭载3名航天员返回地球。

联盟 MS－14任务对接异常事件处置方案

4）8月27日06:12左右，联盟 MS－14飞船自动对接在星辰号服务舱上。

5）在此之后，航天员将对出现故障的“航向”系统进行测试，查明故障原因，对系统进行修复并再次进行测试，确保后续任务中系统正常工作。

各方按照异常事件处置方案实施行动，顺利完成了联盟 MS－13飞船的移位，并于8月27日06:08完成联盟 MS－14飞船的自动交会对接。

空间站上“航向”系统修复情况

紧急处置联盟 MS－14飞船交会对接异常中止事件后，俄方着手对故障的“航向”系统进行修复。整体计划是地面专家指导航天员利用站上的各种维修组件和配件，更换空间站上“航向”对接系统无源部分的放大器。

9月18日，俄罗斯航天员斯克沃尔佐夫向地面飞行控制中心的专家表示其已为维修工作做好准备，并开始对搜索号迷你研究舱－2上存在故障的“航向”自动对接系统进行维修。通过对“航向”系统的电源接合处进行检查，发现接合处状态良好且不存在肉眼可见的弯曲。

9月19日，斯克沃尔佐夫在检查系统过程中发现第705号电缆处于完全脱落的状态，经与地面专家沟通后，航天员将电缆连接到“航向”系统代号K2－VKA－01的电容器上后，再次对系统进行测试，结果显示系统运行正常，至此修复工作圆满完成。

除此以外，俄罗斯航天国家集团（ROSCOSMOS）成立了专门小组，对“国际空间站”俄罗斯所有舱段的现状进行全面评估，包括站上的所有组件及设备，确定哪些可用，是否有备用件。俄方还称，美方也会对其所在舱段进行全面检查，这些评估结果将直接影响“国际空间站”是否可以在2024年以后延期工作。

4 此次任务的其他特点

联盟－2.1a发射载人飞船分析

之前，俄罗斯通常采用联盟－FG运载火箭执行联盟 MS载人飞船的发射任务，联盟－2.1a运载火箭则用于执行进步 MS货运飞船的发射任务。此次任务为联盟 MS飞船与联盟－2.1a火箭首次结合后的无人试验飞行任务，也是俄罗斯30多年来实施的首次载人飞船无人飞行试验任务，旨在验证联盟－2.1a火箭与载人飞船的兼容性。此次任务的成功发射证实了联盟－2.1a运载火箭适用于载人飞船发射任务，俄罗斯计划从2020年的联盟 MS－16任务开始，全部利用联盟－2.1a运载火箭执行载人飞船发射任务。

联盟－2.1a运载火箭配备有新型数字飞行控制系统和升级型发动机，将接替执行了数十年载人飞船发射任务的联盟－FG运载火箭。

使用新的运载火箭也带来了一些技术问题，联盟－FG运载火箭发射时在发射台上进行调整，对齐发射方位角；而联盟－2系列火箭不在发射台上调整，发射后通过滚转调整方向，这个机动过程可能会意外触发发射逃逸系统。因此俄罗斯对发射逃逸系统进行了修改，此次任务按照预先设定的程序对火箭的数字控制系统和发射逃逸系统进行测试。此外，联盟 MS－14飞船还验证了升级版的导航和推进控制系统，为新型联盟－GVK货运飞船的设计提供参考，联盟－GVK飞船计划于2022年首飞。

根据俄罗斯政府采购网公布的文件，联盟 MS－14飞船由俄罗斯天然气工业保险股份公司（SOGAZ）等多家保险公司承保，保险金额为3.447亿卢布（约3700万元人民币），发射保险金额达43.8亿卢布（约4.7亿元人民币）。此前于2019年3月发射的联盟MS－12载人飞船的发射保险金额为41.56亿卢布（约4.46亿元人民币）。

搭载了Skybot F－850机器人

（1）机器人主要性能

Skybot F－850是俄罗斯安卓技术科学生产联合体（NPO Android Technology）与俄罗斯高级研究基金会（FPI）合作为俄罗斯紧急情况部（MChS）研制的人形机器人。Skybot F－850采用坚固耐用的合金材料制成，身高180cm，体重160kg，具有72个自由度，其中有48个驱动。机器人身上遍布传感器，包括48个用于读取旋转角度变化和速度变化的传感器、2个加速度计和陀螺仪、2个负载（压力）传感器等。此外，还为机器人配有2套备用电池，这些电池均来自俄罗斯“海鹰”（Orlan）舱外航天服，确保机器人具备充足的能量开展工作。Skybot F－850具有3种不同的工作模式：第一种是完全自主模式，可以根据已有程序自动运行，利用人工智能系统进行移动和必要的操作来解决遇到的问题，如驾驶汽车、拧螺丝、钉钉子等；第二种模式是按照操作人员的指令运行；第三种是模仿模式，也称为“化身”（Avatar），即操作人员需要穿戴特殊的装备，如外骨骼服和虚拟现实眼镜，机器人会对操作者的行为进行模仿，操作者对机器人实现远程控制。

Skybot F－850模仿操作者拧开瓶盖

（2）开展实验情况

Skybot F－850作为联盟 MS－14飞船发射测试的一部分，在发射过程中，机器人接替飞船指挥官全程监测、实时报告发射和飞行状况，收集到了大量数据，这些数据有利于改善火箭及飞船的性能，提高载人发射任务的安全性。

抵达“国际空间站”后，Skybot F－850首先为对接推迟表示抱歉，并发推文称自己已经准备好要开始工作了。航天员首先对机器人开展外骨骼测试项目，该实验的主要内容是让航天员对机器人进行远程控制，机器人作为“化身”模仿穿有“控制套装”的航天员的全部动作。该项实验的参与者还包括两名航天员，其中斯克沃尔佐夫在星辰号服务舱内穿上外骨骼套装，戴上虚拟现实眼镜；阿列克谢·奥夫奇宁（Aleksey Ovchinin）则在搜索号迷你研究舱—2内陪在机器人身边，对机器人的行为进行监督。

在该实验期间，机器人执行了一系列任务，其中包括对搜索号迷你研究舱－2内出现故障的设备进行诊断，航天员为测试其在微重力条件下进行精细活动的能力，通过远程控制让机器人练习按电钻的开关按钮、模仿用毛巾擦手、手持螺丝刀尝试作业、进行电连接器对接等。机器人还在推特上发布了自己的测试视频，并声称自己的测试结果合格。不过，在实验过程中机器人也出现了一些小故障，例如，在实验初期，刚刚开机的机器人左手控制存在问题，后来才逐渐恢复；还有一次机器人系统开机出现困难，航天员奥夫奇宁甚至想用锤子和扳手敲击机器人肩膀上的电源按钮，而地面飞行控制中心的专家则建议其更换电池，最终在进行了10多次尝试后，机器人终于成功开机，并继续开展实验工作。

机器人在空间站上练习按电钻的开关按钮

此外，航天员还对Skybot F－850进行了问答测试。奥夫奇宁和斯克沃尔佐夫对机器人进行轮番提问，总共提了30多个问题，其中包括：你认为自己是航天员吗？你的心情怎么样？是谁创造了你？你多大了？你明白我的意思吗？你的父母是谁？你的上司是谁？黑洞是什么？你对太空了解多少？你对地球了解多少？对于个别问题，机器人并不能一下子理解问题的含义，因此航天员不得不对问题进行重复。其中，机器人较难回答的问题有：你来自哪个国家？以及跟我聊一聊宇宙探索吧。

由于遭遇对接时间推迟，上述实验主要在8月29日－9月1日开展。9月2日，航天员将Skybot F－850重新放回联盟 MS－14飞船上，为其返回地球做准备。9月5日，航天员斯克沃尔佐夫打开机器人的电源，并向地面飞行控制中心的专家报告机器人的“耳朵”亮起绿色灯光，表明其已经做好返航准备。联盟 MS－14飞船于9月6日21：14与星辰号服务舱分离，23：37启动发动机进行轨道衰减，并于9月7日00：32在哈萨克斯坦境内成功着陆。

（3）应用前景

Skybot F－850返回地球后，科研人员还将进一步升级机器人，未来可支持出舱活动，完成更换部件、维修设备等工作，降低航天员舱外活动风险。

Skybot F－850具有语音系统，能够识别语音并进行作答，同时其配备了人工智能系统，可以通过学习将更多问题的答案存入“脑中”。这意味着其可以担当技术顾问，当航天员遇到问题时，机器人可以提供解决方案，并且在必要的时候提醒航天员哪些设备需要进行维修。这样可以大幅减轻航天员的负担，不必时刻在脑中记着那些复杂的操作指示，避免浪费时间去翻阅手册寻找所需工具。

到访过“国际空间站”的机器人

此外，专家认为利用机器人在空间站开展远程控制实验十分重要且具有前景，因为当航天员需要执行长时间出舱任务时，在携带复杂设备的情况下工作会使航天员的身体承受巨大压力，甚至筋疲力尽。如果可以通过远程控制指挥机器人在舱外执行体力劳动，不仅可以降低风险，还可以让航天员获得更多的休息。科研人员还希望通过一系列的实验，使机器人学会执行更多、更加复杂的工作，以代替人类到月球及其他星球表面进行深空探索。

除Skybot F－850之外，之前美欧还向“国际空间站”部署了多个空间机器人，开展一系列实验和应用。

5 结束语

联盟 MS－14载人飞船首次与联盟－2.1a运载火箭结合，并且发射任务取得了成功，验证了改进的发射逃逸系统等关键系统和技术，为后续使用新的运载火箭发射载人飞船奠定了良好基础。飞船在与“国际空间站”交会对接出现异常后中止，随后顺利实施紧急处置方案，也侧面证明了俄罗斯载人航天应急预案的有效性和系统的安全性。“国际空间站”超期服役，在增加综合应用效益的同时，也增大了系统维护的负担，值得后续关注。