中国空间站核心舱顺利上天,这国“核心舱”却为何在地上趴了20多年?

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北京呼风唤雨文化传媒有限公司





正在拜科努尔航天发射场254场区内进行总装作业的MLM“科学号”实验舱

据多家俄罗斯媒体与俄罗斯联邦航天局的综合报道，从2009年起持续推迟12年至今年7月15日，俄罗斯计划在拜科努尔航天发射场，用三级版本的质子-M运载火箭发射“科学号”多功能实验舱，用于扩展国际空间站的俄罗斯舱段，这是自2011年国际空间站完全建成后，俄罗斯首次部署大型舱段，在星辰号核心舱故障频繁的今天，具备维生系统与中控系统的科学号或将（被迫）成为俄罗斯空间站核心舱。


源自军用空间站计划与和平号空间站



科学号实验舱的前身，TKS军用飞船

苏联TKS宇宙号军用飞船系列，其是苏联/俄罗斯FGB构型实验舱的鼻祖，2021年7月份将发射升空的“科学”号试验舱也是其衍生而来。TKS军用空间站舱段在“钻石”号军用空间站计划期间研制2代，原计划舱段本身具备载人入轨的能力，后因与联盟飞船冲突取消了载人计划。



如图为第二代TKS飞船与钻石号军用空间站对接，其一共发射3艘，其中与礼炮空间站进行了对接组成组合体，为后续的和平号多模块空间站打下坚实基础

1979年2月，最初设计的和平号空间站计划综合了弗拉基米尔·切洛梅院士管理的军方“钻石”号军用空间站计划。坞站的接口能力得到加强，除了民用的DOS系列空间站核心舱，还将组合2艘TKS宇宙号军用飞船。TKS宇宙号军用飞船系列是苏联/俄罗斯FGB构型实验舱的鼻祖。预计于2021年7月份将发射升空的“科学”号试验舱也是其衍生而来。TKS军用空间站舱段在“钻石”号军用空间站计划期间研制2代，设计之初前端返回舱还将类似于美国KH-10军用载人空间站具备载人入轨的能力。TKS两代完成任务后，苏联在礼炮-7号空间站任务末期于1986年发射了TKS飞船的改进飞船“宇宙-1686”号。这个改进型飞船不再有再入舱段，为实实在在的空间站实验舱段，从这开始，TKS的构型舱段从军用载人飞船与短期访问模块正式向长期驻轨的民用科学实验舱任务转变。



和平号空间站介绍

回到和平号空间站计划，项目由能源科研生产联合体抓总研制，设计工作具体由礼炮KB设计局部门负责，赫鲁尼契夫国家航天研制中心则因研发部门同期负责能源/暴风雪、礼炮7号、联盟号以及进步号的多个项目工作，主要参与舱段的建造与测试工作。



方案调整前和平号空间站的原始设计方案

到1983年前后，空间站的设计方案进行大规模的调整。新的方案优化了核心舱的基础设计，实验舱段在TKS宇宙号军用飞船平台的基础上进行调整。在礼炮/钻石空间站任务的前期基础上，为和平号空间站舱段开发了全新或改进型的数字电脑飞行控制以及回转陀螺仪（来自金刚石计划）、自动对接系统、牛郎星通信系统、氧气发生器以及二氧化碳过滤器等设备。



美国航天飞机视角下完成建造的和平号空间站

除了DOS-7核心舱、量子一号实验舱与美国航天飞机对接舱，其余的实验舱如量子二号、晶体号、光谱号、自然号舱段都是由TKS飞船发展而来。它们的设计经验为后续FGB曙光号功能货舱的研发打下了坚实的基础。


国际空间站阶段作为备份的功能货舱改造为实验舱



科学号实验舱始建于1995年，当时是国际空间站第一个模块舱曙光号的地面备份。2004年，俄罗斯决定将备份舱改造成完全意义上的飞行模块，为国际空间站上的俄罗斯舱段扩充一个新舱室，从而免去重新建造模块舱，还节约资金。“科学号”原定于2007年发射，但由于各种原因一再推迟。

目前，国际空间站上共有5个俄罗斯舱段，分别是曙光号多功能舱、星辰号服务舱、码头号对接舱，以及“探索号（码头2号）”和“黎明号”两个小型研究模块。



“科学号”对接国际空间站后俄罗斯舱段示意图

其中，“曙光号”是国际空间站的第一个组件，负责提供电源、推进、导航、通信、姿控、温控、充压等功能。“星辰号”也是国际空间站的核心舱，是航天员生活和工作的主要场所。“码头号”有两个对接口，一个与“星辰号”对接，另一个用于联盟号载人飞船和进步号货运飞船的对接。“探索号”和“黎明号”主要为舱内舱外的应用实验提供支持。



科学号实验舱内部构造与设备安装示意图

即将发射的“科学号”长13米，舱段主直径2.8米，舱段最大直径4.11米，总重20.3吨，含加压环境设备的气密加压空间为70立方米。该舱共规划11个大中型实验设备的安装位置，其中携带2个俄罗斯标准的小型实验机柜与可选的补充设备，将为科学实验开展提供有利条件。该舱段具备维持轨道的能力，可利用其姿态控制发动机对国际空间站进行姿态控制。该舱段与UM节点舱对接后还将取代“码头号”成为新的节点舱，提供货运飞船和实验舱的对接泊位。“码头号”则会在近期随着进步MS-16飞船一道脱离国际空间站进入大气层再入烧毁，其外部的对接天线设备已经由俄罗斯航天员进行太空行走进行转运，完成了退役前处理。



科学号实验舱前端节点舱对接节点，除了正前方使用”杆-锥”式对接系统，其余对接口采用APAS”异体同构周边”式对接口

另外，“科学号”提供了货物存储空间，配置了生命保障功能，包括俄罗斯舱段的第三名航天员的床位和第二间厕所（“星辰号”中已有两个床位、一间厕所）、水中氧气再生系统和尿液中的水再生系统，这些都将改善航天员的生活条件。



抵达拜科努尔航天发射场254厂房的欧洲航天局机械臂，原计划2009年由奋进号航天飞机分别携带进入太空

”科学号“实验舱还装有一个气闸舱和一个欧洲航天局提供的遥控机械臂，它可以在俄罗斯舱外部移动，通过机械臂的工作可减少航天员太空行走出舱的次数与出舱工作难度。



除此之外科学号实验舱还具备操控进步飞船手动对接空间站的对接系统与其他空间站中控系统,具备核心舱功能。



上世纪在254场区内进行总装的“曙光号’功能货舱，作为同时建造的两兄弟，再次的相见竟然相隔一代人的成长时间

目前，“科学号”已运输至拜科努尔航天发射场，并完成了计划中的绝大部分测试与设备安装，如服务舱碎片防护板(SMDP)、隔热防护层、全球定位系统天线与其它设备的电缆，截至2021年4月24日”科学号”实验舱转运至真空罐区域完成了热真空的环境测试。原计划今年4月初已经发射，目前又推迟至7月15日。届时中国空间站核心舱也已经于2021年04月29日发射，天舟二号货运飞船也于2021年5月20日发射，神舟十二号载人飞船也于2021年6月10日发射。


坎坷的研制与修理历程

“科学号”的研制历程十分坎坷，虽然俄罗斯早就对其进行研制和改造，但受政策、资金、技术问题影响，一直拖延到今年才满足发射条件。



安装设备前的”科学号“舱段壳体，典型的FGB构型舱段设计

“科学号”作为“曙光号”的备份舱，从1995年开始建造，到2000年已完成65%的研制进度，但受俄罗斯财政状况影响，一直到2006年年底，科罗廖夫能源火箭航天公司与俄罗斯航天局（现俄罗斯国家航天集团公司）才签署了多用途实验室模块的研制合同，“科学号”的研制再次走上正轨，并计划在2009年发射。



“科学号”原型号的推进剂贮箱，后发现被金属刨屑污染

然而，发射计划经历两次延迟后，又被推迟到2014年。到了2012年，“科学号”已经完成了遥控机械臂、电缆线路、太阳能电池板和有效载荷的组装，并对热控、液压、电动气动系统和所有机械接口进行了测试，基本完成建造工作。到了2013年年底，科罗廖夫能源火箭航天公司在测试“科学号”时，发现推进系统出现泄漏问题与推进剂贮箱被金属刨屑污染，结果被退回修理，发射继续推迟。



俄乌交恶给双方航空航天产业带来了重大影响，大量双方合作项目被迫下马与取消。例如“天顶”火箭、“第聂伯”火箭的停产退役与安-70运输机项目的中止

其间，俄罗斯经历乌克兰危机和内部意见分歧等事件的冲击，导致“科学号”的发射进程又出现多次停滞与放弃舱段的下马风险。2016年年底，当科研人员决定再次启动实验舱建设时，却面临严重的问题。



联盟MS-18飞船俄方航天员在”科学号“实验舱内考察

由于研制和停放时间过长，该实验舱的很多设备老化，几乎所有运行在舱外的推进剂管线、阀门都必须更换，发动机已经超过了保修期。同时，由于推进系统泄漏，为了更换被污染的部分，机械臂和其他一些设备都被拆除，重新调整。



2019年的推进剂贮箱解决方案

枯燥乏味的清理和修理工作在2018年年进入最后阶段，该舱终于看到了在2018年年底或2019年上半年发射的希望。但接下来却出现了更糟糕的事情。工程技术人员在MLM的推进剂贮箱里也发现了他们几年来一直在奋力清除的金属刨屑污染。修理队伍曾试图把污染物冲洗掉，但迄今为止所有清除努力均告失败。更糟的是，这些贮箱是在上世纪90年代初设计的，目前已不再生产，所以难以通过更换来解决问题。对此莫斯科中央科研工艺研究所（Technomash）所长德米特里·帕诺夫在接受俄新社采访时表示，将使用特殊装置清除“科学号”燃料系统的堵塞。为解决该问题工程师们还对燃料舱进行了切割处理。



准备作为第六批Oneweb互联网星座发射的Frregat-M上面级

2019年，清理贮箱的努力失败后俄方决定用“巡航舰”助推器（fregat）的燃料箱取代“科学”号舱被金属刨屑污染的燃料箱。俄赫鲁尼切夫航天科研生产中心的“礼炮”设计局总设计师库兹涅佐夫表示，计划在“科学”号舱上安装30个“巡航舰”助推器的燃料箱(6组，每组5个燃料箱)代替6个旧的燃料箱，新燃料箱内的燃料将比旧燃料箱内的燃料少，因此，需研制实验舱飞往国际空间站更省燃料的模式。



”科学号“实验舱的硬式太阳帆板进行展开与性能测试

目前，”科学号“实验舱的推进系统仍存在泄漏风险，科研人员提出了新的设计方案，在推进剂管路中另外安装6个控制阀门，分为两组分别控制推进系统的燃料部分和氧化剂分支。一旦发生燃料泄露，可以切断燃料贮箱与推进系统的连接。


星辰号的老迈下或将成国际空间站内俄罗斯空间站核心舱



“科学号”从1995年开始研制算起，已经走过了26年，同时也是国际空间站服役22年后组装对接的新舱段。



如图所示为“星辰号”核心舱内裂缝的显微照片。近半年的时间俄方航天员一直在努力的寻找与修复核心舱内不断出现的裂缝，目前只有一些微小的裂缝等待后续处理，已无大碍。除此之外“星辰号”核心舱的制氧装置与卫生设施多次发生故障。这些繁琐的空间站维护工作很大程度上影响了航天员在轨的工作效率，如联盟MS-17的俄方成员组就抽出了超过四分之一的工作时间进行“星辰号”核心舱的裂缝修复与设备维修。

对此俄罗斯国内想放弃“科学号”实验舱的声音逐渐消失并对“科学号”抱有很高的期望，计划将它作为国际空间站内新的核心舱使用。



此前虽然有计划让国际空间站继续工作到2028-2030年，但它的退役已经成为所有参与国家不得不面对的一个问题。美国宇航局打算新增商业企业研发舱段将国际空间站逐渐过渡到商用或者独立建造商业空间站退役国际空间站，并开始带领盟友推进门户地月空间站的建设。俄罗斯也认为，目前情况下维护国际空间站的费用过高，对航天发展回报甚微，打算筹划建设本国的独立空间站。


反反复复方案多变的俄罗斯独立空间站



早期的俄罗斯独立空间站示意图，科学号实验舱作为新空间站的基础存在

2018年，俄罗斯能源火箭航天集团公司宣布，计划在2019年年底前，向国际空间站发射“科学”号实验舱、NEM实验/核心舱和UM节点舱，以在国际空间站停止运行后，俄罗斯以这几个舱段为基础，建造新的轨道空间站。之后，能源火箭航天集团公司又在2020年年底提出建造新轨道空间站的构想，其建设计划将分为两个阶段进行。



新设计的实验舱与俄罗斯空间站对接示意图

第一阶段在2025~2026年建成由实验兼核心舱、节点舱和气闸舱组成的空间站，内部空间可容纳2名以上的航天员生活和工作。


第二阶段在2026~2028年再为空间站补充4个舱，将内部空间扩展到464立方米，最多能容纳4名航天员在里面生活和工作。

在当时的方案中，“科学号”将在俄罗斯空间站建设中起到承前启后的作用。国际空间站继续运行时，“科学号”可提供增强的太空实验场所，改善俄罗斯航天员的工作和生活环境。俄方退出国际空间站后，也计划将“科学号”实验舱规划为国际空间站退役后本国独立建造空间站的核心舱段。

对于此方案无论是俄罗斯国内还是外界，普遍认为俄罗斯这是向美方在国际空间站合作上进行谈判施压，且本身独立空间站项目也仅作为备份选项进行研究。



目前设想最大规模方案之一里建设完成的俄罗斯独立空间站示意图

直到2021年4 月 19 日，俄罗斯副总理鲍里索夫正式宣布，由于国际空间站严重老化，俄罗斯的空间站运营合约也将于 2024 年到期，因此俄罗斯计划自 2025 年起退出该项目，并着手建造自己的空间站。



UM节点舱实物

这样一来俄罗斯将放弃NEM舱段（科学动力舱段）2024年后对接至国际空间站的计划而运力运行，UM节点舱也将由额外的进步飞船运输至新的空间站轨道。



2016年即完成建造的NEM舱段原理试样实物，可见其内径不同于苏联时代的老旧设计，却因为原始设计阶段顾及质子M火箭发射而缩短了舱段长度

目前规划俄方新空间站建成后将有七种类型的舱段：实验兼核心舱、生产实验舱、商业实验舱、气闸舱、非加压平台舱、节点舱、充气舱。

不过，俄方权威网站展示的自建空间站却并集体性的省略了“科学号”实验舱的身影，都将是本世纪全新设计的空间站舱段，如UM节点舱与NEM实验舱。这意味着如果俄罗斯真的在2025年开始建造自己的独立空间站，使用才几年的科学号实验舱将会被放弃。

2021年4月21日，俄罗斯科学院生物医学问题研究所载人飞行辐射安全处主任维亚切斯拉夫·舒尔沙科夫向媒体表示，俄罗斯新的高维度空间站可能会装备特殊的防辐射掩体，航天员可以避过危险的太阳耀斑。

舒尔沙科夫说，新站上“应该有一个防辐射掩体，我们会再加一层防护。这层防护我们会用聚乙烯、湿纸和毛巾布制作，或者用现在正在研发的独一无二的复合防护材料制作。”他表示，这种材料计划近期在国际空间站上进行测试。

此前，舒尔沙科夫曾向媒体表示，在高纬度轨道建设新的俄罗斯空间站与目前的国际空间站相比，宇航员所受的辐射剂量将会高出三分之一，其中主要危险是太阳耀斑和伽玛射线。

对此主页君曾迷惑，此前消息新的空间站预计会恢复到苏联时代“和平-2”号空间站68-70°倾角，也不一定需要额外的防辐射层，直到了解到此消息：



2021年4月23日，俄罗斯能源航天火箭公司在莫斯科进行了一场公开的记者展示会，展示会上俄方详细介绍了多次调整后的俄罗斯新空间站方案并推出新空间站舱段阶段成果向媒体进行了展示。新舱段的建造如上文所述分为2期建设：



俄罗斯独立空间站介绍，空间站新舱段的建造分为2期建设：


【总体】

2025年开始的第一阶段发射原计划对接国际空间站的NEM模块的空间站舱段2个、UM节点舱与1个额外的气闸舱段；其中NEM构型的舱段主要负责空间站的舱段供电与中控，并提供航天员生活休息空间；飞船依然是联盟/进步飞船。


2030年前后将发射2个与NEM模块类似设计的加压实验舱，舱段推进模块较NEM舱段有所变化；此外还增加一个非加压的实验模块；对接飞船也从联盟/进步飞船换成新一代的雄鹰号飞船。


可选模块如生产实验舱与充气舱段。


新轨道站与国际空间站有根本上的不同。当前国际空间站轨道倾角约为51.7°，仅能覆盖20%的俄罗斯国土面积。新轨道站倾角变为97°，在高纬度轨道运行，可以100%覆盖俄罗斯国土。


但由于倾角变大导致的外部宇宙辐射更强，航天员不会长期驻站，而是周期性造访。

【具体】

第一阶段建设完成后体积达到220立方米，其中非加压外置设备体积为19立方米。


第二阶段建设完成后体积达到450立方米，其中非加压外置设备体积为49立方米。


第一阶段与第二阶段，空间站供电将都为55kW。


第一阶段外置燃料储罐为24个；第二阶段为48个。


第一阶段姿态控制燃料储备为3900KG；第二阶段姿态控制燃料储备为9100KG。


空间站数据传输速率最高为300Mbps（兆比特每秒）。空间站数据传输速率下行数据总速率支持最高为300Mbps（兆比特每秒）对照：ISS美国方面为600Mbps，中国空间站三舱组合后下行数据总速率支持: 1.1Gbps。


第一阶段空间站驻留人数为2人；第二阶段空间站驻留任务为2-4人。


第一阶段每年1艘载人（雄鹰）飞船，1-2艘货运飞船（联盟与进步飞船改进型，其中联盟飞船改进后驻留时间从6-7个月延长至1年；第二阶段每年1-2艘载人飞船，1-3艘货运飞船（可改用雄鹰号新一代载人飞船与Argo可重复使用货运飞船。可除了雄鹰飞船和货运飞船外，还可以添加一个雄鹰飞船基础上减少到搭载2名航天员，重量为16吨的轻量化的Orlyonok载人飞船，目前新飞船的着陆区域选定为奥伦堡（俄罗斯西部城市）。


主要的实验舱段从质子M火箭改为安加拉-5M火箭在东方发射场发射；飞船由联盟2.1b与联盟5号运载火箭发射。


空间站组件的发射场地，第一阶段由东方发射场独立承担；第二阶段由东方发射场与普列谢茨克发射场共同承担。


空间站倾角达到97°。


新空间站的高倾角空间站可能会装备特殊的防辐射掩体，凭此航天员可避过危险的太阳耀斑与辐射。这层防护预计会用聚乙烯、湿纸和毛巾布制作，或者用俄方正在研发一种的复合防护材料制作。这种复合材料计划先在国际空间站上进行测试。

此外据媒体报道，俄罗斯联邦航天局正在与NASA就俄方退出ISS项目一事进行积极接触，俄联邦航天局有关负责人暗示俄方愿意“有条件地”向美方转让ISS上的俄罗斯舱段（包括“科学号”实验舱），但该负责人同时表示，不排除将除“曙光号”功能货舱以外的俄罗斯舱段全部离轨脱离国际空间站。


俄罗斯独立舱段分别介绍PPT

俄罗斯独立空间站现有模块设想













好家伙，如此设计这是铁了心的要自己单干空间站建设了。

对此，主页君评论——俄罗斯此次宣布变数仍大，未来几年很可能会有多次大的计划变动。可能还是为其太空话语权而做出的政治表态，但似乎忽略了随着美国商业航天的迅速发展，俄罗斯即使在国际空间站项目的地位也不再向曾经那样举足轻重。

欧美舱段设计寿命普遍为三十年，比起二十年寿命的俄罗斯舱段就有优势，并且随着二代龙飞船的常态化服役，美国飞船与天鹅座飞船一道同时具备了维持轨道的能力。美国的商业空间站规划也有公司打算把旗下新舱段对接在ISS上，完全可以开发自主动力模块维持轨道。

俄罗斯方面“星辰号”核心舱与几个节点舱可以分离退役再入，而“曙光号”功能货舱则是NASA全资出钱建造，俄罗斯也难以自行带走。

“曙光号”的动力系统目前仍然能正常使用，美国和俄罗斯提议购买专门的进步飞船补加星辰号的燃料与维持轨道，这样一来何必多余的费时费力进行独立空间站建设？

2021年下半年才入轨，服役不久的“科学号”实验舱因为新空间站97°的倾角无法前往新的极轨空间站。对于俄方的转让条件美方也不一定会接受。大概率同1996年才对接至和平号空间站的“自然号”实验舱一样只使用几年就只能放弃一样。其它新空间站舱段建设十分缓慢。

在航天预算有限的今天，俄罗斯，你真能下决心新建独立空间站吗？



左侧为发射前抵达工位的质子K火箭，准备发射礼炮-1号空间站；右侧为发射前抵达工位的长征五号B遥二运载火箭，准备发射天和号空间站核心舱


结尾
从1970年礼炮-1号空间站—天和号空间站核心舱，作为空间站发展先驱的俄罗斯，在空间站的发展事业上的止步不前逐步让后来者追上并实现了超越。

俄罗斯当然也意识到了这一点。可对俄罗斯来说，虽然完全有能力建造新的空间站，但一切都要取决于资金、决策与近年逐步重生的俄罗斯航天体系的上下游全力配合。至于俄罗斯能否如期完成本国的空间站建造，还需拭目以待。



本文转载自“航天爱好者”，原标题《中国空间站核心舱顺利上天，这国“核心舱”却为何在地上趴了20多年？》，文 | 冬天的一D锅

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