俄罗斯改进型载人飞船联盟-MS

2016-07-05王永生周生东中国航天员科研训练中心

国际太空 2016年5期

关键词：遥测载人空间站

王永生周生东（中国航天员科研训练中心）

俄罗斯改进型载人飞船联盟-MS

王永生周生东（中国航天员科研训练中心）

新型改进飞船取名为联盟-MS，原计划于2016年3月进行首次飞行，但并未按期发射。俄罗斯能源火箭航天集团4月1日对外宣称，新型飞船将于2016年6月21日发射前往“国际空间站”。

1　开发联盟-MS载人飞船的必要性

“联盟”飞船实现首飞后经过了多次改进，进入2000年后，飞船的改进工作主要是与更换飞船控制系统的仪器有关，包括下降控制计算机（KC-020M）、线性速度测量部件、航天员控制台（Нептун-МЭ）。此后又使用了新的船载数字计算系统（ЦВК-101）及匹配装置（БУС101-1和2）。在船上还安装了小型数字信息测量系统（МБИТС），并推广和使用了复杂的软件，该软件起初在“进步”（Progress）货运飞船上使用，经过成功飞行试验后，又在“联盟”飞船上安装使用。在没有影响飞行计划、没有中断太空飞行、没有进行任何“联盟”飞船试验的情况下，成功地更换了几乎所有飞船系统。

2009年，俄罗斯联邦航天局（Roskosmos，现更名为俄罗斯航天国家集团）要求俄罗斯能源火箭航天集团论证改进进步 M-M和联盟 TMA-M飞船的可能性，原因是准备停止使用地面控制综合系统中系统老化的“量子”和“卡玛”地面站。

“量子”地面站通过船载无线电技术系统（БРТК）量子-B来保障“联盟”和“进步”飞船主要飞行控制回路。宇宙飞船有3种控制方法：第1种是自动控制方法，即用船载系统完成控制任务，不需要任何外界干预；第2种是地面控制方法，需要各类无线电技术设备进行保障；第3种方法是飞船乘组控制。经过之前对飞船的改进，几乎更换了所有船载自动控制系统和乘组控制系统的仪器和部件，现在需要解决无线电技术设备的问题。

保障与地面通信的船载仪器量子-B，以前是由乌克兰切尔尼戈夫斯克工厂生产，现在这种仪器应当在俄罗斯生产。“卡玛”地面站则是用于保障飞船轨道参数的测量（无线电监控）。

2009年初，俄罗斯联邦航天局着手解决存在的问题。因为“量子”和“卡玛”地面站已停止使用，问题已无法回避，需要马上开发出替代品。

此外还存在一个问题，就是船载运动控制系统仪器的电子元器件供货问题。该系统有主要和备用回路，结果是停靠和定位控制组件（БУПО）及备用回路信号转换部件（БПО）已经没有了配套的电子元器件。为此，俄罗斯能源火箭航天集团开始研制备用回路控制部件（БУРК），这也是改进型飞船联盟-MS和进步-MS船载仪器的组成部分。

（2）引进大数据处理性能较高的相关计算机技术。目前，针对大数据挖掘、存储以及处理等问题，国内外已经发展了很多先进的技术，比如MapReduce和Hadoop等数据分析平台。

对此类船载系统和仪器的更换必然会导致对空间运动系统和综合控制系统的重大调整，开发船载数字控制系统的数学软件。为此，俄罗斯能源火箭航天集团决定对进步 M-M和联盟 TMA-M飞船进行重大改进，明确相应的技术任务，制定草案和技术文件。这就是联盟-MS和进步-MS新型飞船的由来。

2　联盟-MS载人飞船上改进的系统

2008年和2010年，分别对联盟 TMA-M和进步M-M飞船进行了改进，此次联盟-MS和进步-MS的改进是上次重要阶段性改进的逻辑延续。联盟-MS飞船上所改进的系统如下。

与“国际空间站”对接的联盟 TMA-03M和进步M-13M飞船

首先，船载无线电指令系统量子- B （Квант-В）换成了统一的遥测指令系统（ЕКТС），该系统具有附加的遥测通道。实际上，在联盟 TMA-M和进步 M-M飞船上已经对遥测系统进行过改进，属于小型的信息遥测系统（МБИТС），具有执行遥测指令系统（ЕКТС）的功能。新的遥测指令系统将具有通用功能：无线电指令线路通过射线-5（Loutch-5）中继卫星执行保障工作，这将极大地增加飞船无线电可见范围，达到了1圈（轨道）长度的70%。

俄罗斯的射线-5中继卫星

其次，新飞船将使用新的船载无线电技术对接系统航向-HA（Kurs-HA），该系统已经在2艘进步 М-М货运飞船上进行了飞行试验。与航向-HA相比，新系统在质量、尺寸和动力特性方面进行了优化，将取消一副复杂的无线电天线（一共3副天线）。航向-HA系统是基于新的元器件而研制，重要的是，它将在俄罗斯生产。

此外，船载无线电轨道监控系统换成了卫星导航仪器（ACH-K），新的仪器已经在进步 M-M飞船上安装并在遥测状态下进行了试运行。经过全面的分析后，计划在主要控制回路中使用该仪器。卫星导航仪器是关键性的系统，它能极大优化运动控制系统的功能。这为飞船定位提供功能储备，依靠从卫星导航仪器上获取的导航数据，能够保障完成与空间站的交会。换句话说，无线电轨道监控器简直就不需要了，卫星导航仪器与航向-HK构成了完全独立的飞船交会对接系统。

在联盟-MS上安装新的数字仪器—备用回路控制组件，取代类似的仪器—停靠和定位控制组件-1（БУПО-1），在进步-MS飞船上则替换了停靠和定位控制组件-1和信号转换部件（БПС）。同时要指出的是，备用回路控制组件是由俄罗斯能源火箭航天集团开发，它拓展了运动控制系统备用回路的能力，并解决了配套产品的生产问题。

重新研制的仪器与船载数字计算系统的相互作用，通过直通数字信道来完成，这需要对软件进行全面更新。

需要指出的是，为了替换同类的电视系统“克列斯特”（Клест），将使用数字电视系统。得益于此，飞船与空间站之间的通信将直接由舱载间（船间）的无线电线路来完成。

由于配套产品的停产还将对以下部件进行更换：角速度传感器（БДУС-3М）将换为改进的传感器（БДУС-3МА）；装有卤化白炽灯的照明器换为发光二极管灯（СФОК）。

还需要指出的是，已把电话电报系统黎明-M替换为黎明-3БМ，做这样的调整是为了使黎明-3БМ与小型信息遥测系统（МБИТС）一样，在功能上与统一的遥测指令系统（ЕКТС）一体化。

所要强调的是，在联盟-MS和进步-MS飞船以及它们之前的改进上，都是保证飞船控制系统与“国际空间站”俄罗斯舱段船载控制系统完全一体化（集成化）。以前只能通过独立于空间站的无线电指令线路来控制飞船。

总之，联盟-MS飞船的功能特性有了极大的优化，比如新的地面和船载无线电技术系统采用了现代化的信息传输技术，这将提高飞船控制系统的可靠性。飞船的质量和动力方面，这次没有大的变化。

专家们在联盟-MS和进步-MS飞船中所做的工作，对于现在和将来研发新一代载人飞船，无论在方法上、技术上还是组织上，都有借鉴价值，这是非常重要的。应俄罗斯联邦航天局的预订，目前俄罗斯能源火箭航天集团正在进行新一代飞船的研制。

3　“联盟”飞船数字计算机系统及其改进

在现行的“联盟”飞船计算机系统中，包括了中央计算机（ЦВМ-101）、计算机（KC-020M）、控制台（Непун-МЭ）。中央计算机位于仪器设备舱内，负责控制飞船的定位，解决交会对接问题等。计算机位于返回舱内，负责保障返回舱脱离轨道返回地面。计算机之间通过多路交换通道保持联系。

在改进后的联盟-MS飞船返回舱内也安装了中央计算机，如此布局已相当可观。这种布局有很大的优势，并得到了检验。据专家介绍，“联盟”飞船以后不会再有这方面的改进计划。新一代“联邦”载人飞船将进行新的调整和布局，因为新一代飞船将要拓展其返回的能力。

4　联盟-MS飞船飞行试验及下一步的改进计划

进步-MS已于2015年底进行了首飞，联盟-MS原计划2016年3月进行首飞（现首飞日期改为2016 年6月）。在“进步”飞船上训练所有的仪器和系统，如果一切正常，再在载人飞船上安装。飞船开始飞行后，各系统和设备都有备用品，至少会用1艘老式飞船作为首艘新改进飞船的备用品。

据俄罗斯能源火箭航天集团专家介绍，在联盟-MS飞船使用后，“联盟”系列飞船将不会再有大的改进，因为需要更换的系统基本上都进行了更换和改进。但是以后可能会有一些调整，主要是与一些仪器已停产和需要完成一些附加任务有关。其中，计划将下降控制系统和应急抢险系统的机械陀螺仪换为光学陀螺仪。刚好配套产品已停产且出现了新的附加任务，所以此举很有必要。为此，企业只好自己研发复杂仪器—角速度集成部件（БИУС）。