联盟飞船故障与救援任务分析

宋国梁 吴之尧

（1北京空间科技信息研究所 2中国航天科技国际交流中心）

北京时间2023年2月24日8:24，俄罗斯从拜科努尔航天发射场利用联盟－2.1a（Soyuz－2.1a）运载火箭成功发射联盟MS－23（Soyuz MS－23）载人飞船。飞船以全自动模式发射，采用2天交会对接方案上行，成功与“国际空间站”（ISS）对接。

1 联盟MS－23任务概况

此次任务为“联盟”系列飞船的第151次任务，“联盟MS”飞船的第23次发射任务。

任务过程

联盟－2.1a运载火箭点火后，成功将联盟MS－23飞船送入预定轨道。飞船发射48小时35分钟后，成功与“国际空间站”搜索号（Poisk）迷你研究舱天顶点对接。

俄罗斯航天国家集团（ROSCOSMOS）表示，本次任务交会对接过程中，“国际空间站”上的航天员无须手动对接联盟MS－23飞船。此次联盟MS－23飞船采用无人模式，在两天时间内飞船通过缓慢变轨可以节省大量推进剂，将储备足够进行多次对接尝试的推进剂，在第一次自动交会对接没有成功时还可以转入其他舱段对接口进行第二次尝试，而无需手控遥操作支持，把风险降至最低水平。

站上活动与应用情况

本次任务以全自动模式发射无人的联盟MS－23飞船前往“国际空间站”，代替发生冷却剂泄漏的联盟MS－22飞船将航天员送回地球，包括俄罗斯航天员谢尔盖·普罗科皮耶夫（Sergey Prokopyev）、德米特里·佩特林（Dmitry Petelin）和美国航天员弗朗西斯科·卢比奥（Francisco Rubio）。经过评估，俄罗斯判断联盟MS－22飞船的散热器无法实现自行冷却功能，飞船已于2023年3月28日以无人状态返回地球。

此外，联盟MS－23飞船向“国际空间站”运送了429kg货物，包括医疗检查设施、实验设备和食品等物品，其中食物的数量是平时的3倍。按计划，联盟MS－22飞船乘组将延期驻留至2023年9月，即任务延伸覆盖了原联盟MS－23飞船乘组的驻留时段。延长驻留期间，联盟MS－22飞船乘组的俄罗斯航天员普罗科皮耶夫和佩特林将继续完成计划内的工作，并可能执行由原联盟MS－23飞船乘组完成的舱外活动任务。

2 联盟MS－22飞船冷却剂泄漏最新进展

联盟MS－22载人飞船状态

联盟MS－22载人飞船散热器内的44升冷却剂大部分均已泄漏，散热器上存在一个0.8mm直径的泄漏孔。冷却剂泄漏可能会导致飞船返回舱温度升高，这不仅会在飞船返回地球期间影响航天员的状况，还会影响飞船的计算机系统。此外，由于航天员难以通过舱外活动到达联盟MS－22飞船所处位置，无法重新将冷却剂填充进散热器并修复泄漏，地面工作人员排除了在轨修理联盟MS－22飞船的可能性。

2023年3月28日，联盟MS－22飞船以无人状态离开“国际空间站”，约2小时后飞船成功返回哈萨克斯坦着陆场。飞船共带回了218kg的货物，包括科学实验结果以及设备。

泄漏原因分析

北京时间2022年12月15日，对接在“国际空间站”上的俄罗斯联盟MS－22载人飞船发生冷却剂泄漏事件。ROSCOSMOS和NASA确认外部温度调节系统的散热器冷却回路是泄漏源，经过ROSCOSMOS调查，最终得出的结论是散热器上的孔洞可能是由一颗微流星体以7km/s的速度撞击飞船造成的，导致飞船大量冷却剂泄漏，相关的地面测试也证实了这一假设。

巧合的是，俄罗斯另一艘对接在“国际空间站”上的进步MS－21（Progress MS-21）货运飞船于2023年2月11日出现了与联盟MS－22飞船类似的冷却剂泄漏故障。ROSCOSMOS决定将原计划于2月20日发射的联盟MS－23任务推迟至2月24日发射，给调查人员留出时间研究进步MS－21飞船的冷却剂泄漏故障。根据进步MS－21飞船从空间站脱离时拍摄的图像显示，飞船散热器存在一个直径12mm的泄漏孔。工作人员检查了飞船生产、发射设施，并在进步MS－21飞船脱离空间站前对飞船开展严密检查，最终ROSCOSMOS发布了一份声明，将本次货运飞船的冷却剂漏洞归咎于“外部影响”，称其与联盟MS－22飞船经历的泄漏类似，这两起事件是由于不相关的两次微流星体撞击造成的，而并非飞船的内部故障。

美国国家航空航天局（NASA）尚未就进步MS－21飞船的初步受损评估与ROSCOSMOS进行讨论，但NASA表示，“外部影响”并不一定意味着微流星体或轨道碎片撞击，也有可能是在飞船飞行过程中产生的“外部影响”，包括发射、船箭分离等阶段飞船受到影响或损害。此外，NASA表示目前没有迹象表明“国际空间站”所处环境的微流星体有所增加。

采取措施

尽管美国和俄罗斯都认为联盟MS－22飞船制造过程中没有出现问题，散热器的泄漏孔不是由于飞船产品质量造成的，但作为预防措施，技术人员对联盟MS－23飞船上的散热器进行了多重检查，确保后续联盟号飞船的产品安全。

此外，NASA也采取了相应的预防措施，对停靠在“国际空间站”的“载人龙”（Crew Dragon）飞船的外部进行了检查，目前没有发现微流星体或轨道碎片造成损坏的证据。NASA表示已经将这种外部撞击检查作为正式的规则，未来每次任务都会做类似检查。与“联盟MS”飞船不同，“载人龙”有两个独立的散热器回路，如果其中一个损坏，另一个可以提供冗余散热。

3 撤离方案制定及后续影响

常规撤离方案

2023年1月11日，NASA和ROSCOSMOS联合举行了一次电话会议。ROSCOSMOS在会议上宣布计划于2月20日（实际于2月24日）向“国际空间站”以全自动模式发射无人的联盟MS－23飞船，代替联盟MS－22飞船将航天员送回地球，而联盟MS－22飞船以无人状态返回地球。根据计划，联盟MS－23飞船搭载一些货物前往“国际空间站”，航天员利用1～2周的时间将相关设备从联盟MS－22飞船转移至联盟MS－23飞船，同时在联盟MS－22飞船中安装温度监测设备并放置其他需要返回地球且对过热不敏感的货物。目前联盟MS－23飞船已成功对接至“国际空间站”，航天员将采用常规撤离方案返回地球。

紧急情况撤离方案

在电话会议记者提问环节，当被问及如果在联盟MS－23飞船到达“国际空间站”前发生了空间站人员需要紧急撤离的情况如何处理时，NASA和ROSCOSMOS表示会启用联盟MS－22飞船与“载人龙”飞船共同进行撤离，届时至少会有1名联盟MS－22飞船的航天员搭乘“载人龙”飞船撤离。

NASA强调，该计划只适用于必须撤离“国际空间站”的紧急情况，NASA与美国太空探索技术公司（SpaceX）讨论是否有可能让更多航天员通过“载人龙”飞船送回地球，虽然“载人龙”飞船在设计上可以搭载7名航天员，但NASA没有批准过该型飞船执行7人载人航天任务，SpaceX公司也没有利用“载人龙”飞船执行过超过4人的飞行任务。

联盟MS－22飞船在载人紧急撤离时，在失去热控系统情况下，根据其飞行轨道、太阳照射角度、回程时间和船上人数，乘员舱内的温度和湿度可能会超过规定值，同时数字飞行控制系统也可能会出现故障。但即使在这种情况下，俄罗斯工程师认为随着航天员乘组规模减小，可以降低联盟MS－22飞船的热负荷，飞船的过热风险会随之下降，联盟MS－22飞船能够依靠备份的模拟控制系统实现安全着陆。

后续影响

联盟MS－22飞船泄漏事件发生后，经过地面控制团队评估，泄漏的方向使得冷却剂不会污染“国际空间站”的外表面，比如太阳能电池阵列或舷窗，所以泄漏不会对航天员和空间站本身造成安全隐患，“国际空间站”的舱外活动已恢复正常。

随着俄罗斯应急发射联盟MS－23飞船前往“国际空间站”送回航天员，对后续一系列飞船发射和返回计划造成影响：

1）由于联盟MS－23飞船以无人状态发射，原计划搭载联盟MS－23飞船前往“国际空间站”的俄罗斯航天员奥列格·科诺涅科、尼古拉·丘布以及美国航天员洛拉尔·奥哈拉被重新分配到联盟MS－24任务；

2）由于将乘坐联盟MS－23飞船返回地球，俄罗斯航天员谢尔盖·普罗科皮耶夫、德米特里·佩特林以及美国航天员弗朗西斯科·卢比奥的返回时间将从2023年3月推迟到大约2023年9月；

3）因为俄罗斯载人航天计划的变化，NASA重新审查了“国际空间站”任务时间表，主要包括“载人龙”Crew－6乘员运输任务，Crew－6任务于3月2日发射，比原计划延迟了约一周。

4 发射救生飞船的决策原则和逻辑分析

救援决策制定

根据ROSCOSMOS总裁鲍里索夫的官方声明，“根据对飞船状况、热模拟和技术文件的分析”，判定受损的联盟MS－22飞船不适合搭载航天员返回地球。联盟MS－22飞船只有在“国际空间站”出现特别危急的情况下，并且通过俄罗斯联邦委员会的决议，才能搭载航天员返回地球。2023年1月10日，参加科罗廖夫能源火箭航天集团（RKK Energia）首席设计师委员会会议的NASA代表同意该计划，并承诺支持该计划。

经鲍里索夫证实，ROSCOSMOS已评估过由一名指令长驾驶联盟MS－23飞船前往“国际空间站”的方案。若采用该方案，两名俄罗斯航天员将搭乘MS－23飞船返回地球，一名美国航天员将搭乘“载人龙”飞船返回地球。但该方案最终没有通过，原因是为这种飞行模式配置飞船、准备必要的文件和培训航天员需要额外时间，联盟MS－23飞船将推迟到2023年3月初发射。

在此之前，苏联礼炮号（Salyut）空间站也曾出现类似情况。1979年4月10日，联盟－33飞船发射升空，在飞船最后一次变轨机动时，飞船摇晃，在二次点火后发动机熄灭，航天员发现主发动机侧面有异常火光，地面遥测数据发现是主发动机出现故障。为保证航天员安全，地面控制中心要求飞船使用备用发动机返回地面。

此前对接在礼炮号空间站上的联盟－32飞船与联盟－33飞船使用相同的发动机，由于联盟－33飞船发动机故障，礼炮号空间站的航天员乘组缺乏可靠的返回飞船。1979年6月6日，苏联发射无人驾驶的联盟－34飞船对接到礼炮号空间站，该飞船使用的发动机经过重新设计测试，将两名航天员送回地球。而联盟－32飞船在无人驾驶情况下返回地面。

救援逻辑分析

按照惯例，航天员一般乘坐相同的飞船完成发射和返回任务，因为航天员本身对于同一艘飞船的状态比较熟悉。另外目前一般在轨的载人飞船设计寿命为6～7个月，在对应航天员乘组完成任务的同时飞船基本也已经达到其正常的寿命要求，所以这也要求航天员搭乘相同飞船返回。总结苏联/俄罗斯两次发射无人飞船前往空间站送回航天员情况，联盟－34飞船代替联盟－32飞船送回航天员，主要由于联盟－33飞船发动机出现故障，而联盟－32使用与联盟－33相同发动机，在发动机可靠性存在不确定性情况下，继续使用联盟－32飞船将航天员送回地球将面临巨大风险；而联盟MS－23代替联盟MS－22飞船送回航天员，主要由于联盟MS－22飞船散热器中冷却剂完全泄漏，继续使用联盟MS－22飞船将航天员送回地球可能会面临温度及湿度超过规定值，并对计算机等电子系统造成影响。综合分析两次发射无人飞船情况，都是现有对接飞船出现异常故障或风险，相关管理机构组织研判及评估，在确认继续利用存在异常飞船返回地球会对航天员安全造成严重威胁时，紧急更改发射计划，发射可靠性和安全性不存在隐患的飞船接回空间站航天员。

本次联盟MS－23飞船和联盟－34飞船接回航天员任务还存在其他不同，联盟－34飞船是接回礼炮号空间站上的苏联航天员，而“国际空间站”作为多国合作项目，联盟MS－23飞船要接回空间站上的俄罗斯和美国航天员，航天员在紧急情况下也可同时选择联盟MS飞船和“载人龙”飞船撤离。考虑到联盟MS飞船的安全冗余度设计，航天员可以在不适的条件下继续强行乘坐联盟MS－22飞船返回地球，但无疑这样面临的风险会大幅提高，所以NASA和ROSCOSMOS都强调这是在不得不撤离“国际空间站”的紧急情况下才会这样抉择。

5 结束语

保证航天员的生命健康是载人航天工程最根本的要求。本次联盟MS－23任务最主要的目的是作为救援飞船，将“国际空间站”上的航天员送回地球。此次故障考验了俄罗斯在现有对接飞船出现异常故障或风险情况下，发射新飞船完成救援任务的能力。同时，本次故障也凸显了空间站安全运行问题的严峻性。在空间碎片不断增加、低轨大规模星座爆发式增长的背景下，空间站需要持续提升空间碎片监测能力，最大可能规避碰撞风险。