從“聯(lián)盟”到“聯(lián)邦”，俄羅斯新飛船研制不容易

+ 張雪松

美國(guó)新一代載人飛船，無(wú)論是NASA的“親兒子”獵戶座飛船還是商業(yè)航天的載人龍飛船和星際線飛船都已經(jīng)亮相，今年8月2日和3日，NASA先后公開(kāi)了商業(yè)載人飛船的飛行進(jìn)度和乘組。美國(guó)新飛船投入使用，將擺脫對(duì)俄羅斯聯(lián)盟號(hào)飛船的依賴。

其實(shí)俄羅斯也在研制聯(lián)邦號(hào)新一代載人飛船，但從聯(lián)盟號(hào)到聯(lián)邦號(hào)的路可不那么容易……

老驥伏櫪的聯(lián)盟號(hào)

蘇聯(lián)，曾經(jīng)自稱(chēng)是牢不可破的聯(lián)盟，雖然這個(gè)聯(lián)盟早已土崩瓦解，但蘇聯(lián)時(shí)代研制的聯(lián)盟號(hào)飛船（Soyuz，圖2）卻不斷推陳出新，煥發(fā)出頑強(qiáng)的生命力，它現(xiàn)在仍是俄羅斯乃至美國(guó)宇航員飛往國(guó)際空間站的唯一選擇。當(dāng)然，這并不意味著聯(lián)盟號(hào)飛船設(shè)計(jì)完美無(wú)缺，可以說(shuō)，它只是權(quán)宜之計(jì)。

聯(lián)盟號(hào)飛船由科羅廖夫設(shè)計(jì)局（現(xiàn)在的能源集團(tuán)）研制，是蘇聯(lián)載人登月項(xiàng)目的一部分，它最開(kāi)始使用聯(lián)盟號(hào)火箭發(fā)射，因此得到了“聯(lián)盟號(hào)”的命名。聯(lián)盟號(hào)飛船是一種三艙式飛船，這是它最顯著的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。它首先是一種為登月設(shè)計(jì)的飛船，需要較長(zhǎng)的續(xù)航能力，但因發(fā)射和再入的限制又無(wú)法設(shè)計(jì)更大的返回艙，所以特意設(shè)計(jì)了軌道艙，以增加內(nèi)部空間。

有心栽花花不開(kāi)，無(wú)心插柳柳成蔭。蘇聯(lián)登月計(jì)劃以失敗告終，但聯(lián)盟號(hào)飛船卻成為蘇聯(lián)載人飛船的主力，延續(xù)生命力。聯(lián)盟 號(hào)飛船擁有一個(gè)2.9噸重的返回艙，內(nèi)部容積4立方米，1.3噸重的軌道艙內(nèi)部容積5立方米，飛船額定成員3人，同時(shí)還能攜帶170千克的貨物前往空間站，下行返回地球也有50千克的運(yùn)力。

圖1 不知道普京大神光環(huán)的加持，能不能令飛船早日上天

圖2 聯(lián)盟號(hào)飛船

聯(lián)盟號(hào)飛船的指標(biāo)并不算出眾，但“壽命”卻無(wú)人能及——同時(shí)代的阿波羅飛船和航天飛機(jī)都已經(jīng)壽終正寢，退出歷史舞臺(tái)，聯(lián)盟號(hào)飛船卻持續(xù)發(fā)展到第四代聯(lián)盟號(hào)TMA/MS型號(hào)，導(dǎo)航控制系統(tǒng)不斷升級(jí)，并實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，飛船重量得到減輕，精度和可靠性也持續(xù)提高。

聯(lián)盟號(hào)飛船固然是老驥伏櫪的典范，但回顧歷史，實(shí)際上它只是一個(gè)無(wú)奈的選擇。20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)開(kāi)始研制曙光號(hào)（Zarya）飛船，它是一種大型兩艙式飛船。曙光號(hào)飛船使用天頂號(hào)火箭發(fā)射，能重復(fù)使用，可以運(yùn)載8人進(jìn)行天地往返，它還使用了垂直降落設(shè)計(jì)，現(xiàn)在看來(lái)也相當(dāng)時(shí)髦。然而到了蘇聯(lián)末期，財(cái)政再無(wú)力支持新飛船的研制，面臨無(wú)船可用的境況，聯(lián)盟號(hào)飛船不得不繼續(xù)挑大梁，后來(lái)甚至“耗死”了“同期生”美國(guó)航天飛機(jī)。

新飛船研制一波三折

曙光號(hào)飛船的研制于1989年擱置并再無(wú)后繼，但俄羅斯的航天專(zhuān)家們?nèi)郧Х桨儆?jì)地推動(dòng)新一代載人飛船的研制，從早期的紙面設(shè)計(jì)到后來(lái)的聯(lián)合研制再到獨(dú)立研制，新飛船總算看到了新的曙光。

俄羅斯曾設(shè)計(jì)了快船號(hào)飛船，這種有翼滑翔飛船概念很新穎，但2006年快船停止研制。同年，歐空局和俄羅斯開(kāi)始聯(lián)合研制更現(xiàn)實(shí)的先進(jìn)載人運(yùn)輸系統(tǒng)（ACTS）飛船，它也被稱(chēng)為歐洲-聯(lián)盟方案。能源集團(tuán)提出了升級(jí)型聯(lián)盟方案，它的軌道艙將由歐空局研制，能源集團(tuán)稱(chēng)之為聯(lián)盟-K，其中K代表快船（Kliper）。ACTS飛船將是一種能夠兼具近地軌道和月球軌道任務(wù)的飛船，不過(guò)最初外形和聯(lián)盟號(hào)飛船相差不多。

美國(guó)當(dāng)時(shí)正在實(shí)施“星座計(jì)劃”，新一代獵戶座飛船明顯比在聯(lián)盟號(hào)基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單升級(jí)的ACTS強(qiáng)得多，而ACTS飛船也在不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)。歐空局還提出使用ATV貨運(yùn)飛船的推進(jìn)艙和貨艙升級(jí)ACTS的構(gòu)想，返回艙仍使用聯(lián)盟號(hào)的設(shè)計(jì)，大大提高了飛船的內(nèi)部居住空間。然而，畢竟拼湊的色彩太濃厚，在2007年10月召開(kāi)的ACTS飛船俄歐研發(fā)會(huì)議上，雙方?jīng)Q定研制一種類(lèi)似阿波羅或者說(shuō)類(lèi)似獵戶座的新一代飛船，這將是與之前各類(lèi)升級(jí)方案大相徑庭的兩艙式飛船，而且棄用俄羅斯傳統(tǒng)的鐘形返回艙，改用美國(guó)常用的錐形返回艙。

事實(shí)上，能源公司負(fù)責(zé)的ACTS飛船的錐形返回艙并非山寨美國(guó)飛船，蘇聯(lián)曾研制和發(fā)射過(guò)TKS大型貨運(yùn)飛船（圖3），它就擁有典型的錐形返回艙設(shè)計(jì)，而ACTS的返回艙正是源自于此，它的側(cè)壁傾角很小，與側(cè)壁大傾角的獵戶座飛船截然不同。

對(duì)于這一構(gòu)想，俄羅斯興趣濃厚，但歐空局一直對(duì)發(fā)展獨(dú)立載人航天能力猶豫不決，2008年底雙方中止合作，俄羅斯開(kāi)始獨(dú)立研制新一代載人飛船。2009年4月6日，能源公司獲得了新飛船的研制合同，新飛船被命名為未來(lái)載人運(yùn)輸系統(tǒng)（PPTS，圖4），它是一種兼顧近地軌道和登月任務(wù)的飛船。

圖3 TKS大型貨運(yùn)飛船模型

“聯(lián)邦號(hào)”舉步維艱

PPTS又稱(chēng)羅斯（Rus）飛船，原定使用新一代的羅斯-M（Rus-M）火箭發(fā)射，Rus-M是一種使用RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)的模塊化火箭家族，堪稱(chēng)俄羅斯的Atlas V火箭。俄羅斯航天局曾對(duì)Rus-M火箭寄予厚望，但它研制花費(fèi)太多而且和即將完成的安加拉火箭性能重合，2011年10月Rus-M火箭研制計(jì)劃慘遭取消，PPTS飛船將改用安加拉5P火箭發(fā)射。

圖4 2009年，PPTS的設(shè)計(jì)模型

圖5 聯(lián)邦號(hào)飛船模型

圖6 2013年正式亮相的PPTS

PPTS飛船的設(shè)計(jì)方案在接下來(lái)的幾年里不斷得到完善，比如原來(lái)激進(jìn)的火箭反推垂直降落方案被放棄，最后還是選用常規(guī)的降落傘著陸方案。但俄羅斯人對(duì)返回艙10次重復(fù)使用的計(jì)劃始終初心不改。PPTS飛船分為近地版和登月版，前者重量14.4噸，后者20噸，主要區(qū)別在于登月版擁有更大的服務(wù)艙，具備從月球軌道脫離返回的能力。PPTS飛船的返回艙直徑可達(dá)4.4米，正好是聯(lián)盟號(hào)返回艙的2倍 ，它的內(nèi)部空間可達(dá)17立方米，額定載人4人，基本性能和獵戶座飛船大致相當(dāng)。

2012年12月，能源公司總裁宣布該公司完成了PPTS飛船的技術(shù)設(shè)計(jì)，如果預(yù)算經(jīng)費(fèi)正常撥付，飛船計(jì)劃2017年開(kāi)始飛行試驗(yàn)。遺憾的是，2014年后，俄羅斯經(jīng)濟(jì)萎靡和航天預(yù)算的削減，嚴(yán)重影響到PPTS飛船的研制進(jìn)度，如果按照2009年的計(jì)劃，2015年P(guān)PTS飛船就該上天了，2017年載人飛船也要開(kāi)始發(fā)射了，但2014年底，俄方宣布PPTS飛船的首次發(fā)射將推遲到2021年，2015年又宣布首次發(fā)射時(shí)間將推遲到2022年，首次載人飛行任務(wù)則將推遲到2024年。

2015年8月，新一代飛船的征名活動(dòng)展開(kāi)，雖然備選名稱(chēng)中“加加林”的呼聲最高，但2016年1月15日，俄羅斯航天局正式公布的命名卻是“聯(lián)邦號(hào)”（Federatsiya）。

圖7-8 聯(lián)邦號(hào)飛船設(shè)計(jì)示意圖

然而正式命名并沒(méi)有帶來(lái)好運(yùn)，聯(lián)邦號(hào)飛船的研制進(jìn)度繼續(xù)推遲，搭載的火箭又改為新研制的聯(lián)盟5號(hào)/鳳凰號(hào)（聯(lián)盟5號(hào)幾乎就是俄羅斯版的天頂號(hào)火箭）。更不幸的是，2018年，由于聯(lián)盟5號(hào)火箭的研制進(jìn)度問(wèn)題，聯(lián)邦號(hào)飛船首次發(fā)射時(shí)間將推遲到2026到2027年，首次載人發(fā)射時(shí)間自然更要后移。

新一代聯(lián)邦號(hào)飛船的研制實(shí)在步履維艱，而“聯(lián)盟”到“聯(lián)邦”的研制歷程對(duì)比，簡(jiǎn)直就是干勁十足的蘇維埃聯(lián)盟到萎靡不振的俄羅斯聯(lián)邦的縮影。