苑藝 何慧東（北京空間科技信息研究所）

2019年8月22日，俄羅斯成功發(fā)射聯(lián)盟 MS－14（Soyuz MS－14）載人飛船，經(jīng)歷首次交會對接異常中止后，俄方采取緊急處置措施，飛船隨后成功與“國際空間站”自動交會對接。異常事件原因是“國際空間站”上“航向”（Kurs）系統(tǒng)故障。2019年9月，經(jīng)過一系列排查和檢修，航天員修復(fù)“航向”系統(tǒng)故障，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

1 發(fā)射任務(wù)概況

莫斯科時(shí)間2019年8月22日06:38:32，俄羅斯在拜科努爾航天發(fā)射場第31發(fā)射臺利用聯(lián)盟－2.1a運(yùn)載火箭成功將聯(lián)盟 MS－14載人飛船發(fā)射進(jìn)入預(yù)定軌道。

此次任務(wù)為聯(lián)盟 MS飛船與聯(lián)盟－2.1a火箭首次結(jié)合后的無人試驗(yàn)飛行任務(wù)。為充分利用系統(tǒng)的運(yùn)載能力，飛船沒有安裝乘員支持系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而向“國際空間站”運(yùn)送約660kg貨物，包括站上有效載荷、科學(xué)設(shè)備、藥物、食物、消耗性設(shè)備、乘員個(gè)人物品等。此外，聯(lián)盟 MS－14飛船搭載了俄羅斯首個(gè)人形機(jī)器人—天空機(jī)器人F－850（Skybot F－850），該機(jī)器人之前也稱為“最終試驗(yàn)演示項(xiàng)目研究”（FEDOR，也稱“費(fèi)奧多爾”）。

Skybot F－850天空機(jī)器人

2 聯(lián)盟 MS－14首次交會對接中止事件

聯(lián)盟 MS－14飛船采用48h飛行方案，原計(jì)劃發(fā)射后飛行2天，于2019年8月24日08:30與“國際空間站”交會對接。然而，在飛船與空間站搜索號（Poisk）迷你研究艙－2（MRM2）最后對接階段，飛船在距離空間站約90m處懸停，自動交會對接系統(tǒng)無法鎖定對接目標(biāo)，傳回的實(shí)時(shí)視頻顯示飛船姿態(tài)出現(xiàn)明顯晃動，俄羅斯專家判斷該異?，F(xiàn)象意味著自動對接模式失敗。通常在自動交會對接系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，“聯(lián)盟”載人飛船將啟動備份方案，由航天員手動操作完成對接；“進(jìn)步”（Progress）貨運(yùn)飛船則啟用“遠(yuǎn)程對接控制器”（TORU）遙控操作模式，由站上航天員接管飛船，遙控完成對接。由于聯(lián)盟 MS－14飛船為無人飛行任務(wù)，船上的人形機(jī)器人尚未掌握手動對接技術(shù)，飛船也沒有配備貨運(yùn)飛船上的TORU系統(tǒng)，因此俄方討論后決定中止聯(lián)盟 MS－14飛船與空間站對接。俄羅斯地面飛行控制中心指示站上航天員亞歷山大·斯克沃爾佐夫（Aleksandr Skvortsov）通過站上的控制面板向飛船發(fā)出中止對接指令，隨后飛船飛離空間站。

美國國家航空航天局（NASA）此前曾對載人飛船執(zhí)行非載人任務(wù)并采用自動對接模式表示過擔(dān)憂，認(rèn)為一旦自動對接系統(tǒng)出現(xiàn)故障可能會導(dǎo)致飛船無法對接，因?yàn)轱w船上缺乏遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，且船上的人形機(jī)器人在船內(nèi)的活動受到限制，其無法作為指令長執(zhí)行手動對接任務(wù)。在聯(lián)盟 MS－14飛船與空間站對接出現(xiàn)異常情況后，NASA第一時(shí)間向站上的美國和歐洲航天員通報(bào)了情況，并要求航天員處于冷靜狀態(tài)。

3 故障處置情況

事件原因判斷

初步調(diào)查結(jié)果顯示，導(dǎo)致對接失敗的原因是空間站上的“航向”自動交會對接系統(tǒng)出現(xiàn)故障，地面飛行控制中心的工程師發(fā)現(xiàn)搜索號迷你研究艙－2上的一部放大器沒有正常工作。該放大器屬于“航向”交會雷達(dá)系統(tǒng)的無源（被動）部分，與“聯(lián)盟”飛船上的“航向”雷達(dá)系統(tǒng)有源（主動）部分相互配合工作?！昂较颉毕到y(tǒng)有源部分向空間站發(fā)送信號來確定飛船與空間站之間的距離和相對速度，飛船根據(jù)反饋數(shù)據(jù)通過推進(jìn)器點(diǎn)火控制飛船相對空間站的速度和方向。

緊急處置方案

發(fā)生對接異常事件后，俄方最初決定由站上俄羅斯航天員更換空間站搜索號迷你研究艙－2上的“航向”自動交會對接系統(tǒng)放大器，經(jīng)地面確認(rèn)修復(fù)后，于對接中止事件2天后再次嘗試交會對接。隨后經(jīng)過研判，俄方最終確定把對接口改為星辰號（Zvezda）服務(wù)艙的方案，在對接中止事件3天后，實(shí)施聯(lián)盟MS－14飛船與“國際空間站”的第二次對接嘗試。

最終確定的事件整體處置方案如下：

1）8月25日，俄方對聯(lián)盟 MS－14飛船進(jìn)行軌道修正，為第二次對接嘗試做準(zhǔn)備。

2）8月25－26日，航天員為聯(lián)盟 MS－13飛船的重新對接進(jìn)行準(zhǔn)備工作，包括使用站上的模擬器進(jìn)行重新對接訓(xùn)練，熟練掌握操作步驟。

3）8月26日06:34－06:59，“國際空間站”第60長期組的3名航天員：俄羅斯籍亞歷山大·斯克沃爾佐夫、意大利籍盧卡·帕爾米塔諾（Luca Parmitano）和美國籍安德魯·摩根（Andrew Morgan）穿著“斯科爾”（Sokol）艙內(nèi)航天服進(jìn)入聯(lián)盟 MS－13飛船。斯克沃爾佐夫手動操作聯(lián)盟MS－13飛船與星辰號服務(wù)艙分離，飛船沿速度方向退后并懸停，沿軸向滾轉(zhuǎn)調(diào)整姿態(tài)，然后機(jī)動至搜索號迷你研究艙－2上方約80m，隨后飛船手動對接在搜索號迷你研究艙－2上，整個(gè)過程耗時(shí)25min。為確保航天員安全，3名航天員均進(jìn)入聯(lián)盟 MS－13飛船中，如果當(dāng)飛船移位過程出現(xiàn)異常時(shí)，航天員將搭乘飛船在軌停留，若異常無法解決，聯(lián)盟 MS－13飛船將搭載3名航天員返回地球。

聯(lián)盟 MS－14任務(wù)對接異常事件處置方案

4）8月27日06:12左右，聯(lián)盟 MS－14飛船自動對接在星辰號服務(wù)艙上。

5）在此之后，航天員將對出現(xiàn)故障的“航向”系統(tǒng)進(jìn)行測試，查明故障原因，對系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)并再次進(jìn)行測試，確保后續(xù)任務(wù)中系統(tǒng)正常工作。

各方按照異常事件處置方案實(shí)施行動，順利完成了聯(lián)盟 MS－13飛船的移位，并于8月27日06:08完成聯(lián)盟 MS－14飛船的自動交會對接。

空間站上“航向”系統(tǒng)修復(fù)情況

緊急處置聯(lián)盟 MS－14飛船交會對接異常中止事件后，俄方著手對故障的“航向”系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)。整體計(jì)劃是地面專家指導(dǎo)航天員利用站上的各種維修組件和配件，更換空間站上“航向”對接系統(tǒng)無源部分的放大器。

9月18日，俄羅斯航天員斯克沃爾佐夫向地面飛行控制中心的專家表示其已為維修工作做好準(zhǔn)備，并開始對搜索號迷你研究艙－2上存在故障的“航向”自動對接系統(tǒng)進(jìn)行維修。通過對“航向”系統(tǒng)的電源接合處進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)接合處狀態(tài)良好且不存在肉眼可見的彎曲。

9月19日，斯克沃爾佐夫在檢查系統(tǒng)過程中發(fā)現(xiàn)第705號電纜處于完全脫落的狀態(tài)，經(jīng)與地面專家溝通后，航天員將電纜連接到“航向”系統(tǒng)代號K2－VKA－01的電容器上后，再次對系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行正常，至此修復(fù)工作圓滿完成。

除此以外，俄羅斯航天國家集團(tuán)（ROSCOSMOS）成立了專門小組，對“國際空間站”俄羅斯所有艙段的現(xiàn)狀進(jìn)行全面評估，包括站上的所有組件及設(shè)備，確定哪些可用，是否有備用件。俄方還稱，美方也會對其所在艙段進(jìn)行全面檢查，這些評估結(jié)果將直接影響“國際空間站”是否可以在2024年以后延期工作。

4 此次任務(wù)的其他特點(diǎn)

聯(lián)盟－2.1a發(fā)射載人飛船分析

之前，俄羅斯通常采用聯(lián)盟－FG運(yùn)載火箭執(zhí)行聯(lián)盟 MS載人飛船的發(fā)射任務(wù)，聯(lián)盟－2.1a運(yùn)載火箭則用于執(zhí)行進(jìn)步 MS貨運(yùn)飛船的發(fā)射任務(wù)。此次任務(wù)為聯(lián)盟 MS飛船與聯(lián)盟－2.1a火箭首次結(jié)合后的無人試驗(yàn)飛行任務(wù)，也是俄羅斯30多年來實(shí)施的首次載人飛船無人飛行試驗(yàn)任務(wù)，旨在驗(yàn)證聯(lián)盟－2.1a火箭與載人飛船的兼容性。此次任務(wù)的成功發(fā)射證實(shí)了聯(lián)盟－2.1a運(yùn)載火箭適用于載人飛船發(fā)射任務(wù)，俄羅斯計(jì)劃從2020年的聯(lián)盟 MS－16任務(wù)開始，全部利用聯(lián)盟－2.1a運(yùn)載火箭執(zhí)行載人飛船發(fā)射任務(wù)。

聯(lián)盟－2.1a運(yùn)載火箭配備有新型數(shù)字飛行控制系統(tǒng)和升級型發(fā)動機(jī)，將接替執(zhí)行了數(shù)十年載人飛船發(fā)射任務(wù)的聯(lián)盟－FG運(yùn)載火箭。

使用新的運(yùn)載火箭也帶來了一些技術(shù)問題，聯(lián)盟－FG運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)在發(fā)射臺上進(jìn)行調(diào)整，對齊發(fā)射方位角；而聯(lián)盟－2系列火箭不在發(fā)射臺上調(diào)整，發(fā)射后通過滾轉(zhuǎn)調(diào)整方向，這個(gè)機(jī)動過程可能會意外觸發(fā)發(fā)射逃逸系統(tǒng)。因此俄羅斯對發(fā)射逃逸系統(tǒng)進(jìn)行了修改，此次任務(wù)按照預(yù)先設(shè)定的程序?qū)鸺臄?shù)字控制系統(tǒng)和發(fā)射逃逸系統(tǒng)進(jìn)行測試。此外，聯(lián)盟 MS－14飛船還驗(yàn)證了升級版的導(dǎo)航和推進(jìn)控制系統(tǒng)，為新型聯(lián)盟－GVK貨運(yùn)飛船的設(shè)計(jì)提供參考，聯(lián)盟－GVK飛船計(jì)劃于2022年首飛。

根據(jù)俄羅斯政府采購網(wǎng)公布的文件，聯(lián)盟 MS－14飛船由俄羅斯天然氣工業(yè)保險(xiǎn)股份公司（SOGAZ）等多家保險(xiǎn)公司承保，保險(xiǎn)金額為3.447億盧布（約3700萬元人民幣），發(fā)射保險(xiǎn)金額達(dá)43.8億盧布（約4.7億元人民幣）。此前于2019年3月發(fā)射的聯(lián)盟MS－12載人飛船的發(fā)射保險(xiǎn)金額為41.56億盧布（約4.46億元人民幣）。

搭載了Skybot F－850機(jī)器人

（1）機(jī)器人主要性能

Skybot F－850是俄羅斯安卓技術(shù)科學(xué)生產(chǎn)聯(lián)合體（NPO Android Technology）與俄羅斯高級研究基金會（FPI）合作為俄羅斯緊急情況部（MChS）研制的人形機(jī)器人。Skybot F－850采用堅(jiān)固耐用的合金材料制成，身高180cm，體重160kg，具有72個(gè)自由度，其中有48個(gè)驅(qū)動。機(jī)器人身上遍布傳感器，包括48個(gè)用于讀取旋轉(zhuǎn)角度變化和速度變化的傳感器、2個(gè)加速度計(jì)和陀螺儀、2個(gè)負(fù)載（壓力）傳感器等。此外，還為機(jī)器人配有2套備用電池，這些電池均來自俄羅斯“海鷹”（Orlan）艙外航天服，確保機(jī)器人具備充足的能量開展工作。Skybot F－850具有3種不同的工作模式：第一種是完全自主模式，可以根據(jù)已有程序自動運(yùn)行，利用人工智能系統(tǒng)進(jìn)行移動和必要的操作來解決遇到的問題，如駕駛汽車、擰螺絲、釘釘子等；第二種模式是按照操作人員的指令運(yùn)行；第三種是模仿模式，也稱為“化身”（Avatar），即操作人員需要穿戴特殊的裝備，如外骨骼服和虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，機(jī)器人會對操作者的行為進(jìn)行模仿，操作者對機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

Skybot F－850模仿操作者擰開瓶蓋

（2）開展實(shí)驗(yàn)情況

Skybot F－850作為聯(lián)盟 MS－14飛船發(fā)射測試的一部分，在發(fā)射過程中，機(jī)器人接替飛船指揮官全程監(jiān)測、實(shí)時(shí)報(bào)告發(fā)射和飛行狀況，收集到了大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有利于改善火箭及飛船的性能，提高載人發(fā)射任務(wù)的安全性。

抵達(dá)“國際空間站”后，Skybot F－850首先為對接推遲表示抱歉，并發(fā)推文稱自己已經(jīng)準(zhǔn)備好要開始工作了。航天員首先對機(jī)器人開展外骨骼測試項(xiàng)目，該實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是讓航天員對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，機(jī)器人作為“化身”模仿穿有“控制套裝”的航天員的全部動作。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的參與者還包括兩名航天員，其中斯克沃爾佐夫在星辰號服務(wù)艙內(nèi)穿上外骨骼套裝，戴上虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡；阿列克謝·奧夫奇寧（Aleksey Ovchinin）則在搜索號迷你研究艙—2內(nèi)陪在機(jī)器人身邊，對機(jī)器人的行為進(jìn)行監(jiān)督。

在該實(shí)驗(yàn)期間，機(jī)器人執(zhí)行了一系列任務(wù)，其中包括對搜索號迷你研究艙－2內(nèi)出現(xiàn)故障的設(shè)備進(jìn)行診斷，航天員為測試其在微重力條件下進(jìn)行精細(xì)活動的能力，通過遠(yuǎn)程控制讓機(jī)器人練習(xí)按電鉆的開關(guān)按鈕、模仿用毛巾擦手、手持螺絲刀嘗試作業(yè)、進(jìn)行電連接器對接等。機(jī)器人還在推特上發(fā)布了自己的測試視頻，并聲稱自己的測試結(jié)果合格。不過，在實(shí)驗(yàn)過程中機(jī)器人也出現(xiàn)了一些小故障，例如，在實(shí)驗(yàn)初期，剛剛開機(jī)的機(jī)器人左手控制存在問題，后來才逐漸恢復(fù)；還有一次機(jī)器人系統(tǒng)開機(jī)出現(xiàn)困難，航天員奧夫奇寧甚至想用錘子和扳手敲擊機(jī)器人肩膀上的電源按鈕，而地面飛行控制中心的專家則建議其更換電池，最終在進(jìn)行了10多次嘗試后，機(jī)器人終于成功開機(jī)，并繼續(xù)開展實(shí)驗(yàn)工作。

機(jī)器人在空間站上練習(xí)按電鉆的開關(guān)按鈕

此外，航天員還對Skybot F－850進(jìn)行了問答測試。奧夫奇寧和斯克沃爾佐夫?qū)C(jī)器人進(jìn)行輪番提問，總共提了30多個(gè)問題，其中包括：你認(rèn)為自己是航天員嗎？你的心情怎么樣？是誰創(chuàng)造了你？你多大了？你明白我的意思嗎？你的父母是誰？你的上司是誰？黑洞是什么？你對太空了解多少？你對地球了解多少？對于個(gè)別問題，機(jī)器人并不能一下子理解問題的含義，因此航天員不得不對問題進(jìn)行重復(fù)。其中，機(jī)器人較難回答的問題有：你來自哪個(gè)國家？以及跟我聊一聊宇宙探索吧。

由于遭遇對接時(shí)間推遲，上述實(shí)驗(yàn)主要在8月29日－9月1日開展。9月2日，航天員將Skybot F－850重新放回聯(lián)盟 MS－14飛船上，為其返回地球做準(zhǔn)備。9月5日，航天員斯克沃爾佐夫打開機(jī)器人的電源，并向地面飛行控制中心的專家報(bào)告機(jī)器人的“耳朵”亮起綠色燈光，表明其已經(jīng)做好返航準(zhǔn)備。聯(lián)盟 MS－14飛船于9月6日21：14與星辰號服務(wù)艙分離，23：37啟動發(fā)動機(jī)進(jìn)行軌道衰減，并于9月7日00：32在哈薩克斯坦境內(nèi)成功著陸。

（3）應(yīng)用前景

Skybot F－850返回地球后，科研人員還將進(jìn)一步升級機(jī)器人，未來可支持出艙活動，完成更換部件、維修設(shè)備等工作，降低航天員艙外活動風(fēng)險(xiǎn)。

Skybot F－850具有語音系統(tǒng)，能夠識別語音并進(jìn)行作答，同時(shí)其配備了人工智能系統(tǒng)，可以通過學(xué)習(xí)將更多問題的答案存入“腦中”。這意味著其可以擔(dān)當(dāng)技術(shù)顧問，當(dāng)航天員遇到問題時(shí)，機(jī)器人可以提供解決方案，并且在必要的時(shí)候提醒航天員哪些設(shè)備需要進(jìn)行維修。這樣可以大幅減輕航天員的負(fù)擔(dān)，不必時(shí)刻在腦中記著那些復(fù)雜的操作指示，避免浪費(fèi)時(shí)間去翻閱手冊尋找所需工具。

到訪過“國際空間站”的機(jī)器人

此外，專家認(rèn)為利用機(jī)器人在空間站開展遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)十分重要且具有前景，因?yàn)楫?dāng)航天員需要執(zhí)行長時(shí)間出艙任務(wù)時(shí)，在攜帶復(fù)雜設(shè)備的情況下工作會使航天員的身體承受巨大壓力，甚至筋疲力盡。如果可以通過遠(yuǎn)程控制指揮機(jī)器人在艙外執(zhí)行體力勞動，不僅可以降低風(fēng)險(xiǎn)，還可以讓航天員獲得更多的休息?？蒲腥藛T還希望通過一系列的實(shí)驗(yàn)，使機(jī)器人學(xué)會執(zhí)行更多、更加復(fù)雜的工作，以代替人類到月球及其他星球表面進(jìn)行深空探索。

除Skybot F－850之外，之前美歐還向“國際空間站”部署了多個(gè)空間機(jī)器人，開展一系列實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。

5 結(jié)束語

聯(lián)盟 MS－14載人飛船首次與聯(lián)盟－2.1a運(yùn)載火箭結(jié)合，并且發(fā)射任務(wù)取得了成功，驗(yàn)證了改進(jìn)的發(fā)射逃逸系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)和技術(shù)，為后續(xù)使用新的運(yùn)載火箭發(fā)射載人飛船奠定了良好基礎(chǔ)。飛船在與“國際空間站”交會對接出現(xiàn)異常后中止，隨后順利實(shí)施緊急處置方案，也側(cè)面證明了俄羅斯載人航天應(yīng)急預(yù)案的有效性和系統(tǒng)的安全性。“國際空間站”超期服役，在增加綜合應(yīng)用效益的同時(shí)，也增大了系統(tǒng)維護(hù)的負(fù)擔(dān)，值得后續(xù)關(guān)注。