宋國梁 吳之堯

（1北京空間科技信息研究所 2中國航天科技國際交流中心）

北京時間2023年2月24日8:24，俄羅斯從拜科努爾航天發(fā)射場利用聯(lián)盟－2.1a（Soyuz－2.1a）運載火箭成功發(fā)射聯(lián)盟MS－23（Soyuz MS－23）載人飛船。飛船以全自動模式發(fā)射，采用2天交會對接方案上行，成功與“國際空間站”（ISS）對接。

1 聯(lián)盟MS－23任務概況

此次任務為“聯(lián)盟”系列飛船的第151次任務，“聯(lián)盟MS”飛船的第23次發(fā)射任務。

任務過程

聯(lián)盟－2.1a運載火箭點火后，成功將聯(lián)盟MS－23飛船送入預定軌道。飛船發(fā)射48小時35分鐘后，成功與“國際空間站”搜索號（Poisk）迷你研究艙天頂點對接。

俄羅斯航天國家集團（ROSCOSMOS）表示，本次任務交會對接過程中，“國際空間站”上的航天員無須手動對接聯(lián)盟MS－23飛船。此次聯(lián)盟MS－23飛船采用無人模式，在兩天時間內飛船通過緩慢變軌可以節(jié)省大量推進劑，將儲備足夠進行多次對接嘗試的推進劑，在第一次自動交會對接沒有成功時還可以轉入其他艙段對接口進行第二次嘗試，而無需手控遙操作支持，把風險降至最低水平。

站上活動與應用情況

本次任務以全自動模式發(fā)射無人的聯(lián)盟MS－23飛船前往“國際空間站”，代替發(fā)生冷卻劑泄漏的聯(lián)盟MS－22飛船將航天員送回地球，包括俄羅斯航天員謝爾蓋·普羅科皮耶夫（Sergey Prokopyev）、德米特里·佩特林（Dmitry Petelin）和美國航天員弗朗西斯科·盧比奧（Francisco Rubio）。經過評估，俄羅斯判斷聯(lián)盟MS－22飛船的散熱器無法實現(xiàn)自行冷卻功能，飛船已于2023年3月28日以無人狀態(tài)返回地球。

此外，聯(lián)盟MS－23飛船向“國際空間站”運送了429kg貨物，包括醫(yī)療檢查設施、實驗設備和食品等物品，其中食物的數(shù)量是平時的3倍。按計劃，聯(lián)盟MS－22飛船乘組將延期駐留至2023年9月，即任務延伸覆蓋了原聯(lián)盟MS－23飛船乘組的駐留時段。延長駐留期間，聯(lián)盟MS－22飛船乘組的俄羅斯航天員普羅科皮耶夫和佩特林將繼續(xù)完成計劃內的工作，并可能執(zhí)行由原聯(lián)盟MS－23飛船乘組完成的艙外活動任務。

2 聯(lián)盟MS－22飛船冷卻劑泄漏最新進展

聯(lián)盟MS－22載人飛船狀態(tài)

聯(lián)盟MS－22載人飛船散熱器內的44升冷卻劑大部分均已泄漏，散熱器上存在一個0.8mm直徑的泄漏孔。冷卻劑泄漏可能會導致飛船返回艙溫度升高，這不僅會在飛船返回地球期間影響航天員的狀況，還會影響飛船的計算機系統(tǒng)。此外，由于航天員難以通過艙外活動到達聯(lián)盟MS－22飛船所處位置，無法重新將冷卻劑填充進散熱器并修復泄漏，地面工作人員排除了在軌修理聯(lián)盟MS－22飛船的可能性。

2023年3月28日，聯(lián)盟MS－22飛船以無人狀態(tài)離開“國際空間站”，約2小時后飛船成功返回哈薩克斯坦著陸場。飛船共帶回了218kg的貨物，包括科學實驗結果以及設備。

泄漏原因分析

北京時間2022年12月15日，對接在“國際空間站”上的俄羅斯聯(lián)盟MS－22載人飛船發(fā)生冷卻劑泄漏事件。ROSCOSMOS和NASA確認外部溫度調節(jié)系統(tǒng)的散熱器冷卻回路是泄漏源，經過ROSCOSMOS調查，最終得出的結論是散熱器上的孔洞可能是由一顆微流星體以7km/s的速度撞擊飛船造成的，導致飛船大量冷卻劑泄漏，相關的地面測試也證實了這一假設。

巧合的是，俄羅斯另一艘對接在“國際空間站”上的進步MS－21（Progress MS-21）貨運飛船于2023年2月11日出現(xiàn)了與聯(lián)盟MS－22飛船類似的冷卻劑泄漏故障。ROSCOSMOS決定將原計劃于2月20日發(fā)射的聯(lián)盟MS－23任務推遲至2月24日發(fā)射，給調查人員留出時間研究進步MS－21飛船的冷卻劑泄漏故障。根據(jù)進步MS－21飛船從空間站脫離時拍攝的圖像顯示，飛船散熱器存在一個直徑12mm的泄漏孔。工作人員檢查了飛船生產、發(fā)射設施，并在進步MS－21飛船脫離空間站前對飛船開展嚴密檢查，最終ROSCOSMOS發(fā)布了一份聲明，將本次貨運飛船的冷卻劑漏洞歸咎于“外部影響”，稱其與聯(lián)盟MS－22飛船經歷的泄漏類似，這兩起事件是由于不相關的兩次微流星體撞擊造成的，而并非飛船的內部故障。

美國國家航空航天局（NASA）尚未就進步MS－21飛船的初步受損評估與ROSCOSMOS進行討論，但NASA表示，“外部影響”并不一定意味著微流星體或軌道碎片撞擊，也有可能是在飛船飛行過程中產生的“外部影響”，包括發(fā)射、船箭分離等階段飛船受到影響或損害。此外，NASA表示目前沒有跡象表明“國際空間站”所處環(huán)境的微流星體有所增加。

采取措施

盡管美國和俄羅斯都認為聯(lián)盟MS－22飛船制造過程中沒有出現(xiàn)問題，散熱器的泄漏孔不是由于飛船產品質量造成的，但作為預防措施，技術人員對聯(lián)盟MS－23飛船上的散熱器進行了多重檢查，確保后續(xù)聯(lián)盟號飛船的產品安全。

此外，NASA也采取了相應的預防措施，對?？吭凇皣H空間站”的“載人龍”（Crew Dragon）飛船的外部進行了檢查，目前沒有發(fā)現(xiàn)微流星體或軌道碎片造成損壞的證據(jù)。NASA表示已經將這種外部撞擊檢查作為正式的規(guī)則，未來每次任務都會做類似檢查。與“聯(lián)盟MS”飛船不同，“載人龍”有兩個獨立的散熱器回路，如果其中一個損壞，另一個可以提供冗余散熱。

3 撤離方案制定及后續(xù)影響

常規(guī)撤離方案

2023年1月11日，NASA和ROSCOSMOS聯(lián)合舉行了一次電話會議。ROSCOSMOS在會議上宣布計劃于2月20日（實際于2月24日）向“國際空間站”以全自動模式發(fā)射無人的聯(lián)盟MS－23飛船，代替聯(lián)盟MS－22飛船將航天員送回地球，而聯(lián)盟MS－22飛船以無人狀態(tài)返回地球。根據(jù)計劃，聯(lián)盟MS－23飛船搭載一些貨物前往“國際空間站”，航天員利用1～2周的時間將相關設備從聯(lián)盟MS－22飛船轉移至聯(lián)盟MS－23飛船，同時在聯(lián)盟MS－22飛船中安裝溫度監(jiān)測設備并放置其他需要返回地球且對過熱不敏感的貨物。目前聯(lián)盟MS－23飛船已成功對接至“國際空間站”，航天員將采用常規(guī)撤離方案返回地球。

緊急情況撤離方案

在電話會議記者提問環(huán)節(jié)，當被問及如果在聯(lián)盟MS－23飛船到達“國際空間站”前發(fā)生了空間站人員需要緊急撤離的情況如何處理時，NASA和ROSCOSMOS表示會啟用聯(lián)盟MS－22飛船與“載人龍”飛船共同進行撤離，屆時至少會有1名聯(lián)盟MS－22飛船的航天員搭乘“載人龍”飛船撤離。

NASA強調，該計劃只適用于必須撤離“國際空間站”的緊急情況，NASA與美國太空探索技術公司（SpaceX）討論是否有可能讓更多航天員通過“載人龍”飛船送回地球，雖然“載人龍”飛船在設計上可以搭載7名航天員，但NASA沒有批準過該型飛船執(zhí)行7人載人航天任務，SpaceX公司也沒有利用“載人龍”飛船執(zhí)行過超過4人的飛行任務。

聯(lián)盟MS－22飛船在載人緊急撤離時，在失去熱控系統(tǒng)情況下，根據(jù)其飛行軌道、太陽照射角度、回程時間和船上人數(shù)，乘員艙內的溫度和濕度可能會超過規(guī)定值，同時數(shù)字飛行控制系統(tǒng)也可能會出現(xiàn)故障。但即使在這種情況下，俄羅斯工程師認為隨著航天員乘組規(guī)模減小，可以降低聯(lián)盟MS－22飛船的熱負荷，飛船的過熱風險會隨之下降，聯(lián)盟MS－22飛船能夠依靠備份的模擬控制系統(tǒng)實現(xiàn)安全著陸。

后續(xù)影響

聯(lián)盟MS－22飛船泄漏事件發(fā)生后，經過地面控制團隊評估，泄漏的方向使得冷卻劑不會污染“國際空間站”的外表面，比如太陽能電池陣列或舷窗，所以泄漏不會對航天員和空間站本身造成安全隱患，“國際空間站”的艙外活動已恢復正常。

隨著俄羅斯應急發(fā)射聯(lián)盟MS－23飛船前往“國際空間站”送回航天員，對后續(xù)一系列飛船發(fā)射和返回計劃造成影響：

1）由于聯(lián)盟MS－23飛船以無人狀態(tài)發(fā)射，原計劃搭載聯(lián)盟MS－23飛船前往“國際空間站”的俄羅斯航天員奧列格·科諾涅科、尼古拉·丘布以及美國航天員洛拉爾·奧哈拉被重新分配到聯(lián)盟MS－24任務；

2）由于將乘坐聯(lián)盟MS－23飛船返回地球，俄羅斯航天員謝爾蓋·普羅科皮耶夫、德米特里·佩特林以及美國航天員弗朗西斯科·盧比奧的返回時間將從2023年3月推遲到大約2023年9月；

3）因為俄羅斯載人航天計劃的變化，NASA重新審查了“國際空間站”任務時間表，主要包括“載人龍”Crew－6乘員運輸任務，Crew－6任務于3月2日發(fā)射，比原計劃延遲了約一周。

4 發(fā)射救生飛船的決策原則和邏輯分析

救援決策制定

根據(jù)ROSCOSMOS總裁鮑里索夫的官方聲明，“根據(jù)對飛船狀況、熱模擬和技術文件的分析”，判定受損的聯(lián)盟MS－22飛船不適合搭載航天員返回地球。聯(lián)盟MS－22飛船只有在“國際空間站”出現(xiàn)特別危急的情況下，并且通過俄羅斯聯(lián)邦委員會的決議，才能搭載航天員返回地球。2023年1月10日，參加科羅廖夫能源火箭航天集團（RKK Energia）首席設計師委員會會議的NASA代表同意該計劃，并承諾支持該計劃。

經鮑里索夫證實，ROSCOSMOS已評估過由一名指令長駕駛聯(lián)盟MS－23飛船前往“國際空間站”的方案。若采用該方案，兩名俄羅斯航天員將搭乘MS－23飛船返回地球，一名美國航天員將搭乘“載人龍”飛船返回地球。但該方案最終沒有通過，原因是為這種飛行模式配置飛船、準備必要的文件和培訓航天員需要額外時間，聯(lián)盟MS－23飛船將推遲到2023年3月初發(fā)射。

在此之前，蘇聯(lián)禮炮號（Salyut）空間站也曾出現(xiàn)類似情況。1979年4月10日，聯(lián)盟－33飛船發(fā)射升空，在飛船最后一次變軌機動時，飛船搖晃，在二次點火后發(fā)動機熄滅，航天員發(fā)現(xiàn)主發(fā)動機側面有異?；鸸?，地面遙測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)是主發(fā)動機出現(xiàn)故障。為保證航天員安全，地面控制中心要求飛船使用備用發(fā)動機返回地面。

此前對接在禮炮號空間站上的聯(lián)盟－32飛船與聯(lián)盟－33飛船使用相同的發(fā)動機，由于聯(lián)盟－33飛船發(fā)動機故障，禮炮號空間站的航天員乘組缺乏可靠的返回飛船。1979年6月6日，蘇聯(lián)發(fā)射無人駕駛的聯(lián)盟－34飛船對接到禮炮號空間站，該飛船使用的發(fā)動機經過重新設計測試，將兩名航天員送回地球。而聯(lián)盟－32飛船在無人駕駛情況下返回地面。

救援邏輯分析

按照慣例，航天員一般乘坐相同的飛船完成發(fā)射和返回任務，因為航天員本身對于同一艘飛船的狀態(tài)比較熟悉。另外目前一般在軌的載人飛船設計壽命為6～7個月，在對應航天員乘組完成任務的同時飛船基本也已經達到其正常的壽命要求，所以這也要求航天員搭乘相同飛船返回?？偨Y蘇聯(lián)/俄羅斯兩次發(fā)射無人飛船前往空間站送回航天員情況，聯(lián)盟－34飛船代替聯(lián)盟－32飛船送回航天員，主要由于聯(lián)盟－33飛船發(fā)動機出現(xiàn)故障，而聯(lián)盟－32使用與聯(lián)盟－33相同發(fā)動機，在發(fā)動機可靠性存在不確定性情況下，繼續(xù)使用聯(lián)盟－32飛船將航天員送回地球將面臨巨大風險；而聯(lián)盟MS－23代替聯(lián)盟MS－22飛船送回航天員，主要由于聯(lián)盟MS－22飛船散熱器中冷卻劑完全泄漏，繼續(xù)使用聯(lián)盟MS－22飛船將航天員送回地球可能會面臨溫度及濕度超過規(guī)定值，并對計算機等電子系統(tǒng)造成影響。綜合分析兩次發(fā)射無人飛船情況，都是現(xiàn)有對接飛船出現(xiàn)異常故障或風險，相關管理機構組織研判及評估，在確認繼續(xù)利用存在異常飛船返回地球會對航天員安全造成嚴重威脅時，緊急更改發(fā)射計劃，發(fā)射可靠性和安全性不存在隱患的飛船接回空間站航天員。

本次聯(lián)盟MS－23飛船和聯(lián)盟－34飛船接回航天員任務還存在其他不同，聯(lián)盟－34飛船是接回禮炮號空間站上的蘇聯(lián)航天員，而“國際空間站”作為多國合作項目，聯(lián)盟MS－23飛船要接回空間站上的俄羅斯和美國航天員，航天員在緊急情況下也可同時選擇聯(lián)盟MS飛船和“載人龍”飛船撤離?？紤]到聯(lián)盟MS飛船的安全冗余度設計，航天員可以在不適的條件下繼續(xù)強行乘坐聯(lián)盟MS－22飛船返回地球，但無疑這樣面臨的風險會大幅提高，所以NASA和ROSCOSMOS都強調這是在不得不撤離“國際空間站”的緊急情況下才會這樣抉擇。

5 結束語

保證航天員的生命健康是載人航天工程最根本的要求。本次聯(lián)盟MS－23任務最主要的目的是作為救援飛船，將“國際空間站”上的航天員送回地球。此次故障考驗了俄羅斯在現(xiàn)有對接飛船出現(xiàn)異常故障或風險情況下，發(fā)射新飛船完成救援任務的能力。同時，本次故障也凸顯了空間站安全運行問題的嚴峻性。在空間碎片不斷增加、低軌大規(guī)模星座爆發(fā)式增長的背景下，空間站需要持續(xù)提升空間碎片監(jiān)測能力，最大可能規(guī)避碰撞風險。