俄羅斯改進型載人飛船聯盟-MS

王永生 周生東 （中國航天員科研訓練中心）

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俄羅斯改進型載人飛船聯盟-MS

王永生 周生東 （中國航天員科研訓練中心）

新型改進飛船取名為聯盟-MS，原計劃于2016年3月進行首次飛行，但并未按期發射。俄羅斯能源火箭航天集團4月1日對外宣稱，新型飛船將于2016年6月21日發射前往“國際空間站”。

1　開發聯盟-MS載人飛船的必要性

“聯盟”飛船實現首飛后經過了多次改進，進入2000年后，飛船的改進工作主要是與更換飛船控制系統的儀器有關，包括下降控制計算機（KC-020M）、線性速度測量部件、航天員控制臺（Нептун-МЭ）。此后又使用了新的船載數字計算系統（ЦВК-101）及匹配裝置（БУС101-1和2）。在船上還安裝了小型數字信息測量系統（МБИТС），并推廣和使用了復雜的軟件，該軟件起初在“進步”（Progress）貨運飛船上使用，經過成功飛行試驗后，又在“聯盟”飛船上安裝使用。在沒有影響飛行計劃、沒有中斷太空飛行、沒有進行任何“聯盟”飛船試驗的情況下，成功地更換了幾乎所有飛船系統。

2009年，俄羅斯聯邦航天局（Roskosmos，現更名為俄羅斯航天國家集團）要求俄羅斯能源火箭航天集團論證改進進步 M-M和聯盟 TMA-M飛船的可能性，原因是準備停止使用地面控制綜合系統中系統老化的“量子”和“卡瑪”地面站。

“量子”地面站通過船載無線電技術系統（БРТК）量子-B來保障“聯盟”和“進步”飛船主要飛行控制回路。宇宙飛船有3種控制方法：第1種是自動控制方法，即用船載系統完成控制任務，不需要任何外界干預；第2種是地面控制方法，需要各類無線電技術設備進行保障；第3種方法是飛船乘組控制。經過之前對飛船的改進，幾乎更換了所有船載自動控制系統和乘組控制系統的儀器和部件，現在需要解決無線電技術設備的問題。

保障與地面通信的船載儀器量子-B，以前是由烏克蘭切爾尼戈夫斯克工廠生產，現在這種儀器應當在俄羅斯生產?！翱ì敗钡孛嬲緞t是用于保障飛船軌道參數的測量（無線電監控）。

2009年初，俄羅斯聯邦航天局著手解決存在的問題。因為“量子”和“卡瑪”地面站已停止使用，問題已無法回避，需要馬上開發出替代品。

此外還存在一個問題，就是船載運動控制系統儀器的電子元器件供貨問題。該系統有主要和備用回路，結果是?？亢投ㄎ豢刂平M件（БУПО）及備用回路信號轉換部件（БПО）已經沒有了配套的電子元器件。為此，俄羅斯能源火箭航天集團開始研制備用回路控制部件（БУРК），這也是改進型飛船聯盟-MS和進步-MS船載儀器的組成部分。

（2）引進大數據處理性能較高的相關計算機技術。目前，針對大數據挖掘、存儲以及處理等問題，國內外已經發展了很多先進的技術，比如MapReduce和Hadoop等數據分析平臺。

對此類船載系統和儀器的更換必然會導致對空間運動系統和綜合控制系統的重大調整，開發船載數字控制系統的數學軟件。為此，俄羅斯能源火箭航天集團決定對進步 M-M和聯盟 TMA-M飛船進行重大改進，明確相應的技術任務，制定草案和技術文件。這就是聯盟-MS和進步-MS新型飛船的由來。

2　聯盟-MS載人飛船上改進的系統

2008年和2010年，分別對聯盟 TMA-M和進步M-M飛船進行了改進，此次聯盟-MS和進步-MS的改進是上次重要階段性改進的邏輯延續。聯盟-MS飛船上所改進的系統如下。

與“國際空間站”對接的聯盟 TMA-03M和進步M-13M飛船

首先，船載無線電指令系統量子- B （Квант-В）換成了統一的遙測指令系統（ЕКТС），該系統具有附加的遙測通道。實際上，在聯盟 TMA-M和進步 M-M飛船上已經對遙測系統進行過改進，屬于小型的信息遙測系統（МБИТС），具有執行遙測指令系統（ЕКТС）的功能。新的遙測指令系統將具有通用功能：無線電指令線路通過射線-5（Loutch-5）中繼衛星執行保障工作，這將極大地增加飛船無線電可見范圍，達到了1圈（軌道）長度的70%。

俄羅斯的射線-5中繼衛星

其次，新飛船將使用新的船載無線電技術對接系統航向-HA（Kurs-HA），該系統已經在2艘進步 М-М貨運飛船上進行了飛行試驗。與航向-HA相比，新系統在質量、尺寸和動力特性方面進行了優化，將取消一副復雜的無線電天線（一共3副天線）。航向-HA系統是基于新的元器件而研制，重要的是，它將在俄羅斯生產。

此外，船載無線電軌道監控系統換成了衛星導航儀器（ACH-K），新的儀器已經在進步 M-M飛船上安裝并在遙測狀態下進行了試運行。經過全面的分析后，計劃在主要控制回路中使用該儀器。衛星導航儀器是關鍵性的系統，它能極大優化運動控制系統的功能。這為飛船定位提供功能儲備，依靠從衛星導航儀器上獲取的導航數據，能夠保障完成與空間站的交會。換句話說，無線電軌道監控器簡直就不需要了，衛星導航儀器與航向-HK構成了完全獨立的飛船交會對接系統。

在聯盟-MS上安裝新的數字儀器—備用回路控制組件，取代類似的儀器—?？亢投ㄎ豢刂平M件-1（БУПО-1），在進步-MS飛船上則替換了?？亢投ㄎ豢刂平M件-1和信號轉換部件（БПС）。同時要指出的是，備用回路控制組件是由俄羅斯能源火箭航天集團開發，它拓展了運動控制系統備用回路的能力，并解決了配套產品的生產問題。

重新研制的儀器與船載數字計算系統的相互作用，通過直通數字信道來完成，這需要對軟件進行全面更新。

需要指出的是，為了替換同類的電視系統“克列斯特”（Клест），將使用數字電視系統。得益于此，飛船與空間站之間的通信將直接由艙載間（船間）的無線電線路來完成。

由于配套產品的停產還將對以下部件進行更換：角速度傳感器（БДУС-3М）將換為改進的傳感器（БДУС-3М?。?；裝有鹵化白熾燈的照明器換為發光二極管燈（СФОК）。

還需要指出的是，已把電話電報系統黎明-M替換為黎明-3БМ，做這樣的調整是為了使黎明-3БМ與小型信息遙測系統（МБИТС）一樣，在功能上與統一的遙測指令系統（ЕКТС）一體化。

所要強調的是，在聯盟-MS和進步-MS飛船以及它們之前的改進上，都是保證飛船控制系統與“國際空間站”俄羅斯艙段船載控制系統完全一體化（集成化）。以前只能通過獨立于空間站的無線電指令線路來控制飛船。

總之，聯盟-MS飛船的功能特性有了極大的優化，比如新的地面和船載無線電技術系統采用了現代化的信息傳輸技術，這將提高飛船控制系統的可靠性。飛船的質量和動力方面，這次沒有大的變化。

專家們在聯盟-MS和進步-MS飛船中所做的工作，對于現在和將來研發新一代載人飛船，無論在方法上、技術上還是組織上，都有借鑒價值，這是非常重要的。應俄羅斯聯邦航天局的預訂，目前俄羅斯能源火箭航天集團正在進行新一代飛船的研制。

3　“聯盟”飛船數字計算機系統及其改進

在現行的“聯盟”飛船計算機系統中，包括了中央計算機（ЦВМ-101）、計算機（KC-020M）、控制臺（Непун-МЭ）。中央計算機位于儀器設備艙內，負責控制飛船的定位，解決交會對接問題等。計算機位于返回艙內，負責保障返回艙脫離軌道返回地面。計算機之間通過多路交換通道保持聯系。

在改進后的聯盟-MS飛船返回艙內也安裝了中央計算機，如此布局已相當可觀。這種布局有很大的優勢，并得到了檢驗。據專家介紹，“聯盟”飛船以后不會再有這方面的改進計劃。新一代“聯邦”載人飛船將進行新的調整和布局，因為新一代飛船將要拓展其返回的能力。

4　聯盟-MS飛船飛行試驗及下一步的改進計劃

進步-MS已于2015年底進行了首飛，聯盟-MS原計劃2016年3月進行首飛（現首飛日期改為2016 年6月）。在“進步”飛船上訓練所有的儀器和系統，如果一切正常，再在載人飛船上安裝。飛船開始飛行后，各系統和設備都有備用品，至少會用1艘老式飛船作為首艘新改進飛船的備用品。

據俄羅斯能源火箭航天集團專家介紹，在聯盟-MS飛船使用后，“聯盟”系列飛船將不會再有大的改進，因為需要更換的系統基本上都進行了更換和改進。但是以后可能會有一些調整，主要是與一些儀器已停產和需要完成一些附加任務有關。其中，計劃將下降控制系統和應急搶險系統的機械陀螺儀換為光學陀螺儀。剛好配套產品已停產且出現了新的附加任務，所以此舉很有必要。為此，企業只好自己研發復雜儀器—角速度集成部件（БИУС）。

聯盟-MS-01飛船的LOGO

此外，如何使聯盟-MS和進步-MS飛船所有船載系統適應新的運載火箭聯盟-2，這也是需要解決的問題，因為飛船與火箭之間的接口也出現了變化，所有這些都要進行調整。

聯盟-MS飛船暫時還沒有延長飛行時間的計劃，目前飛船可飛行7.5個月。如果需要，可將飛船飛行時間延長至1年，以此來減少飛船的數量。

改進后的聯盟-MS飛船并未改變飛船與乘組操作的接口，當年曾在聯盟 TMA-M飛船上更換了控制臺（Непун-МЭ）的接口，當時并不是為了更換，正好相反，是為了擴大接口的功能，現在接口的功能非常強大，一個人完全可以對聯盟-MS飛船進行控制。

Improved Russian Human Spacecraft Soyuz-MS