俄罗斯载人飞船“快速对接”飞行模式浅析

安德华 王永生(中国航天员科研训练中心)

俄罗斯载人飞船“快速对接”飞行模式浅析

安德华 王永生(中国航天员科研训练中心)

2013年3月28日,俄罗斯联盟TMA-08M载人飞船发射升空,飞行5h44min后,首次实现了载人飞船与"国际空间站"的"快速对接".在航天发展史中,"快速对接"模式并不是新鲜事物,但实现载人"快速对接"在俄罗斯尚属首次,所以这种新的飞行模式具有里程碑式的意义.俄罗斯航天局决定,经过2次测试飞行后"快速对接"模式将成为常态飞行模式.新的飞行模式不但对飞船系统会产生影响,对于航天员更是新的考验.

1 "快速对接"飞行模式简介

"快速对接"飞行模式指的是飞船在6h内绕地球4圈后与"国际空间站"对接,而之前飞船在对接前要绕地球飞行34圈,用时近2天时间.2012年8月1日23: 35(莫斯科当地时间)俄罗斯进步M-16M货运飞船发射升空,飞船在发射6h后与"国际空间站"对接,这是货运飞船首次测试快速交会对接模式.此后又成功进行了2次,3艘"进步"货运飞船"快速对接"飞行试验成功后.俄罗斯开始试验载人飞船的快速对接. 2013年3月29日,俄罗斯航天局局长波波夫金表示,在联盟 TMA-08飞船发射后还将采用相同的模式进行一次载人发射,这期间将对乘员的生理参数进行研究,根据研究结果再确定是否将这种快速对接模式转为常规飞行模式.俄罗斯能源火箭航天公司总裁洛波塔今年4月1日称,采用快速对接模式后,飞船飞前训练准备没有变化,主要是重点测试舱载计算软件.

在联盟 TMA-08M载人飞船飞行期间,"慢速对接"飞行仍作为备用飞行模式,当"快速对接"飞行出现问题或出现其他情况时(比如出现空间垃圾时),飞船可正常转入两天对接的飞行模式.俄罗斯加加林航天员训练中心原主任谢尔盖.克里卡廖夫称,无论出现任何系统故障或意外情况,乘组都知道如何处理.

2 "快速对接"飞行模式的历史

1965年12月15日,美国双子星座-6、7飞船在航

天员参与下,实现了世界上第一次有人空间交会对接.美国、苏联/俄罗斯、日本、欧洲航天局以及中国成功实现了350次在轨交会对接,其中307次是与空间站的对接,飞船在飞行一天左右与空间站成功实现快速交会对接的有33次.

俄罗斯飞船快速交会对接的历程

"快速对接"飞行模式并不是新鲜事物,俄罗斯早在1968年就曾尝试过"快速对接"飞行模式.1968年4月15日发射的宇宙-213无人飞船在发射后仅46min就与前一天发射的另一艘飞船宇宙-212进行了自动对接.当专家们发射第二艘飞船时,第一艘飞船正在拜科努尔发射场上空飞过.

苏联航天员别列戈沃伊.格奥尔吉曾有机会打破美国航天员创造的最快交会对接纪录(美国航天员曾驾驶飞船用94min实现了与目标飞行器的对接),他于1968年10月26日驾驶联盟-3飞船,在飞行第一圈时就与联盟-2无人飞船自动交会至200m左右,然后改为手动对接模式,但手动操作3次都未成功.后来据俄方称是因为航天员操作出现错误造成对接没有成功,也有消息称操作系统出现问题.

苏联从1971年4月19日成功发射第一个空间站-礼炮-1,到1985年完成所有"礼炮"任务,共进行了30多次的交会对接,曾多次试验在一天内到达"礼炮"空间站,其中有2次为50h左右对接,其他27次对接是在13h左右对接成功.后来,苏联决定采用较为轻松的飞行模式,"联盟"飞船在一天内到达"礼炮"空间站,但是在飞行第一天结束时,个别航天员出现了急性失重适应期症状,表现为协调性变差,出现抑郁症,如果采用手动控制很可能会出现问题.

1974年-1985年苏联礼炮号任务期间交会对接情况

1986年,和平号空间站发射后,苏联决定"联盟"飞船采用两天的飞行模式,至今该模式已经使用了26年,从发射到对接需要近50h.

美国飞船快速交会对接的历程

1966年9月12日14:42,美国航天员查尔斯.康拉德和理查德.戈登驾驶双子星座-11飞船在发射后仅用94min就与"阿金纳"目标飞行器进行了对接,创造了快速飞行的世界记录.

美国"天空实验室"空间站与"阿波罗"飞船在一天内的交会对接

美国"阿波罗"飞船与天空实验室-3、4的交会对接都采用了"快速对接"飞行模式,从飞船发射到对接用时8h左右.

美俄对"快速对接"飞行模式的不同态度

事实表明,虽然美俄都进行过1天左右交会对接的试验,但美国表示飞行4圈就对接可能会引起航天员的不适反应.这可能是美俄采用不同的交会对接技术,以至于最终对"快速对接"持不同态度.美国的经验是远距离采用自动,近距离采用手控;苏联/俄罗斯全过程基本采用自动交会对接方式.这是由于其地理位置所决定的,苏联横跨欧亚大陆,因此可以满足自动控制中地面站数量的要求,美国则不具备这样的条件.

美国从"人"的角度出发,可能要充分考虑航天员能否顺利完成手控操作,而俄罗斯采用自动交会对接,人参与的成份少,因而不太需要考虑快速交会对接对航天员空间运动病的影响.

3 "快速对接"飞行模式的现实意义

难以忍受的50h

虽然"慢速对接"飞行模式已经使用了26年,但自"联盟"飞船出现太空游客后,俄罗斯专家又开始产生了采用"快速对接"的想法.因为"联盟"飞船是非常拥挤的飞船,3名乘员在船内只有0.5m3的自由空间,生活舱为1.2m3,在这样的"盒子"里3个人飞行50h,绕地球飞行34周,乘员和游客都难以忍受.有过飞行经验的航天员普遍认为"联盟"飞船缺乏舒适性.他们说: "飞船里厕所挨着睡觉的地方,也挨着其他伙伴,还有吃的,这就像在一辆大众甲壳虫汽车中生活两天."

据俄罗斯能源火箭航天公司专家、"快速对接"飞行模式倡导者和研究者之一穆尔塔津表示,在三四年前专家们就开始考虑这个问题.当时有一个太空旅游团队,对于专家来说,快速把他们送到空间站是一个极具现实意义的课题,因为在"联盟"这样一个空间非常有限的环境中飞行50h对于一个人,特别是对女人来说,的确非常不容易.首位女太空游客、美籍伊朗裔航天员阿努什.安萨里(2006年9月18-29日搭乘联盟TMA-9飞船访问空间站)在两昼夜的飞行中就出现了一些身体上的状况.所以,在这样一个狭小的空间里,坐这么久非常不舒服,每次有航天员执行任务或返回后,专家们都会探讨这个问题.专家们意见几乎一致: "如果有可能进行快速飞行,那我们就一定要去做".

还有一种情况是,为了稳定飞行及太阳能电池保持恒定向阳,飞船要绕轴线旋转,此时新乘员并不会感到轻松.此外,由于长时间无所事事航天员会感到疲倦.据专家们研究分析,在发射后最初几个小时在当失重出现时,乘员会感到精力充沛,状态很好,所以应当在这一时刻及时航天员送到空间站.

"联盟"飞船第二次生命

采用"快速对接"飞行模式的一个优势是,在飞行中"联盟"飞船能够节约近25kg的燃料,这可为飞船增加机动能力.

俄罗斯能源火箭航天公司的专家认为,现存在"联盟"飞船已经过时、舱内环境对于航天员不舒适的言论,这指的是采用长时间的飞行模式.如果以后采用了"快速"飞行模式,这个问题就不再存在了,因为航天员在飞船飞行的时间相当短,他们不会产生不舒适的感觉.这实际上对于飞行40年的"联盟"飞船来说是赋予了第二次生命,飞船还存在"发展和改进的可能".

俄方还表示,"快速对接"的最大好处是更能保证飞行乘组的安全,因为飞船在太空飞行时间越长,不可预测的风险就越大.缩短对接时间,可进一步提高人员和物资的安全系数.由于对接时间变短,以往航天员和地面控制人员在对接期间要花费两天的时间,快速对接后大家花费的时间和精力都更少.

4 "快速对接"飞行模式对航天员的影响

"快速对接"对乘组来说最大的优点是更舒适.现在装有数字控制系统的载人航天飞船更加现代化,更加舒适方便.以往两天的对接过程,使得3名航天员不得不呆在"联盟"飞船狭窄的舱内,这通常被航天员称为是一段紧张和不舒服的旅程.飞船与"国际空间站"实现"快速对接"最大的益处是,地面工作人员和"联盟"飞船的航天员都会感觉更加轻松.

"快速对接"飞行模式对于航天员最大的挑战是空间运动病问题.目前已知的空间运动病(包括错觉)最早可发生在入轨1h内,最严重时为8~12h,一般在飞行后30~48h内消退,但在恢复的速度、适应的过程和具体的症状上个体差异大.如果航天员需要进行手控操作,飞行2天左右可能操作的精确度更高;如果不考虑手控操作,6h的旅程对于航天员来说会更加舒适,毕竟提前进入大空间舱体要比飞船好.当然进入空间站并不能缩短适应的过程,也存在突然到较大空间不能很好适应的情况."快速对接"模式还有待取得航天员的生理参数后再做出进一步评估.

另一个问题是,航天员从发射前准备到对接成功进入空间站,必须穿着航天服度过近11h,工作时长为18~20h,飞行期间不能睡觉.进入空间站后,又要马上投入紧张的工作中.航天员在这一时间段内工作负荷非常大.

为了适应"快速对接"飞行模式,航天员们在发射前一个月需要进行一些相应的地面训练,训练的主要内容是加大工作强度,在5~10min内完成过去30min的工作量.2013年3月5日,联盟 TMA-08М飞船主乘组在"联盟"飞船模拟器上采用"快速对接"模式进行了测试,取得了"优秀"的成绩.由于首次采用"快速对接"飞行模式,飞前综合考核的时间由2天变为了4天. 3月18日,他们在一个模拟舱中完成故障训练.模拟各种空间突发事件的飞行前考试标准也为此次任务作了修改.加加林航天员训练中心原主任谢尔盖.克里卡廖夫说:"如果一切顺利的话,从2013年年底开始前往'国际空间站'的短途飞行模式将成为标准程序,但是短途飞行也有其相应的风险,因为航天员应对突发事件的时间也随之缩短了."

在发射前的新闻发布会上,飞船指令长、俄罗斯航天员帕维尔.维纳格拉多夫对记者说,首先作为航天员,飞船升空4~5h后他们开始经历艰难的失重影响.维诺格拉多夫说:"在最初的时间,乘组感觉良好,工作正常,当他们完成对接过程到达空间站时将有更好的状态.其次行程缩短,意味着'联盟'飞船将能够为'国际空间站'上的实验提供更多种类的生物材料,以往为期两天的行程对保质期的要求很高."在飞船与空间站对接成功后,维诺格拉多夫说:"在这么短的时间,乘员甚至把冰淇淋带到空间站,可能都不会融化."

维纳格拉多夫同时表示,"快速对接"模式对于航天员毕竟是全新的尝试,还不知道在飞行中会发生什么.为此,在飞行中所有必备物品特别是药箱要放在触手可及的地方,以备应急之用.

5 结束语

美国航天飞机退役后,俄罗斯"联盟"飞船承担了独往天地间运送航天员的重任.然而,在过去的两年中俄罗斯发生了多起航天事故,其航天工业受到严重挫折,影响了其航天大国的形象.为了摆脱发射失败的困境,重振航天大国雄风,俄罗斯加大投入,制定规划,采取措施.此次"联盟"飞船与"国际空间站"成功快速对接将对俄罗斯恢复航天大国地位有一个巨大的推动作用,同时新的飞行模式必将引领新的潮流,开启新的航天时代.