[科普中国]-进步货运飞船

组成结构货物舱

“进步”系列飞船货物舱的构造与“联盟”载人飞船轨道舱相似，可将多达1700kg的补给品送上空间站。当“进步”飞船与空间站对接时，乘员穿过对接舱口进入货物舱。货物搬出后，在“进步”飞船脱离空间站之前，乘员将不需要的设备、废物和废水转移到货物舱中，再入大气层时随飞船一起烧毁。货物舱可容纳1000～1700kg废物。1

补加舱“进步”的补加舱取代了原先“联盟”返回舱的位置。进步 M1飞船的补加舱有8个推进剂贮箱，其中4个贮箱装有燃烧剂，总质量最多可达1740kg，具体质量取决于货物舱运送的货物质量；另外4个贮箱装有氧化剂，进步M飞船只有4个贮箱。进步M1飞船上没有水箱，其燃烧剂和氧化剂可通过对接环上的液体连接器转移到空间站自身的推进系统中。它可用于提升空间站的高度，在空间中改变其指向或姿态。1

仪器/推进舱该舱装有用于“进步”系列飞船的电子设备、电源、燃料。在设计上类似于“联盟”飞船的仪器/推进舱。每艘“进步”飞船都装有足够多的推进剂，可进行3次对接尝试。第二次和第三次对接尝试所用的燃料质量没有计入货物清单中。舱内所有未被“进步”飞船用于飞往空间站或分离、离轨的燃料都可用于上推空间站的高度。剩余的燃料质量约有185～250kg。“进步”系列货运飞船运送每千克货物的成本为22000～25000美元。1

交会、对接和分离“进步”系列货运飞船由联盟－U火箭从位于哈萨克斯坦的拜科努尔发射基地发射升空。“进步”通常需飞2天到达“国际空间站”，进行自主交会和对接，一旦飞船进入距空间站150m范围内，俄罗斯任务控制中心和空间站乘员就会监视其接近和对接。“进步”系列使用基于雷达的自动化系统—“航向”（Kurs）对接至空间站。“航向”系统的主动部分位于“进步”中，被动设备在空间站中。

万一“航向”系统工作异常，乘员可使用“国际空间站”星辰号服务舱工作隔间中的备份系统—遥控操作器远程控制设备（TORU）。它包括可以远程显示“进步”相机视角的便携式计算机监视器，可以远程点火飞船推力器的手动控制装置。视频系统称为标志－TS（Simvol－TS），它在屏幕上显示一个对接标志，操作者必须保持其对准对接目标。1

从2012年8月1日的进步 M－16M任务起，“进步”系列飞船开始采用新的快速交会剖面，仅需6h就可到达“国际空间站”。为实现快速交会，空间站在“进步”系列飞船发射当天必须处于最优轨道平面。这意味着如果发生任何意外情况，如“进步”系列飞船延迟发射或计划外的“ 国际空间站” 碎片规避机动， 则“ 进步”飞船必须在发射前回复到惯例的2天交会剖面。假设“国际空间站”运行在其标称周期3天的回归轨道（高度约400km，倾角51.6°）上，从拜科努尔发射场发射执行快速交会的窗口每3天出现一次，而2天交会的发射窗口每天都会出现。

“进步”系列飞船通常对接至“国际空间站”的星辰号服务舱，也可对接至码头号对接舱的底部。1

在“进步”对接至“国际空间站”期间，飞船使用自身的推进剂和推力器执行空间站再上推机动。推进剂通过对接环中的连接线转移到空间站贮箱中。乘员从货物舱中卸下货物，将水从“进步”飞船上手动转移到空间站中。该飞船运送的空气或氧气直接释放到空间站和“进步”共享的大气环境中。货物舱中有控制装置，用于释放空气或氧气及转移水。

卸货之后，“进步”被填装进各种垃圾物品。通常在下一艘“进步”发射的前一天，空间站乘员就会关闭舱口，并启动解除对接程序。分离之后，飞船推力器点火，执行离轨机动入轨，进入地球大气层，再入时在太平洋上空烧毁。有时，会继续在单独的轨道上运行一段时间，进行试验或测试。以进步 M1－4飞船的情况为例，它在与空间站分离之后、再次对接前在自主轨道中飞行了近3个星期，期间做了一些试验。1

技术方案演进从第一艘“进步”货运飞船开始，苏联/俄罗斯先后研制了包括“进步”、进步 M、进步 M1和进步M2系列货运飞船。它们能与空间站进行交会对接，交会对接系统采用联盟－T飞船的设计，其中进步 M和进步 M1货运飞船还具备手动遥操纵对接能力和携带小型回收舱返回有限货物的能力。目前，进步 M1货运飞船用于为“国际空间站”提供运行服务。

早在空间站初期，苏联设计师就意识到，地球轨道长期任务需要持续补给消耗品，但“联盟”飞船并没有解决问题。到了1970年代中期研制礼炮－6空间站时，这个问题愈发显现。

苏联能源火箭航天公司考虑了若干适于货运任务的“联盟”构型飞船方案。设计师研究了不同的尺寸，以及载人和无人型号。无人飞船的方案最终胜出，且排除了从太空中返回货物的可能性。苏联能源火箭航天公司希望稍后再解决“返回”问题，引进专用可回收舱，目前称为“拉杜加”（Raduga）。

苏联能源火箭航天公司于1973年中期正式开始研制货运飞船，并于1974年2月完成初步设计。苏联政府于1974年正式批准该项目。1

最初的“进步”（7K-TG）第一艘“进步”飞船于1977年11月建造完成。这艘飞船于1978年1月20日升空，飞往礼炮－6空间站，并被命名为“进步”。“进步”由内部电池提供电源，而非太阳能电池板。在接下来的几年里，苏联航天员一次又一次地打破了美国和他们自己保持的长期任务纪录，基本上建立起太空长期有人驻留的局面。共有43艘“进步”飞船被发射至礼炮－6、7空间站，都圆满完成了任务。1

进步 M（7K-TGM）1986年，随着和平号空间站开始在轨运行，能源火箭航天公司对“进步”飞行控制系统进行了改进，并命名为进步 M。新型号飞船的初步设计于1986年5月完成。第一艘进步M货运飞船于1989年8月发射至和平号空间站。进步 M－14、38经专门改进，用于运送外部发动机组（VDU）姿态控制系统到和平号空间站上。进步 M－SO1、M－MIM2经专门改进，分别用于发射码头号对接舱和探索号（Poisk）小型研究舱到“国际空间站”上。运送的舱体取代了进步M飞船的标准货物和燃料部分。1

进步 M1（7K-TGM1）在进步 M的基础上俄罗斯特为“国际空间站”研制了进步 M1，共有2个子型号。为增大推进剂运送量，其补加舱内又扩增了几个推进剂贮箱，而将水箱移入货物舱，将12个装有氮和氧的气罐挂置在飞船外部。其他改进包括采用数字飞行控制系统及用航向－MM交会对接系统取代以前的“航向”系统。第一艘进步 M1飞船于2000年2月1日发射至和平号空间站。2000年8月6日，进步 M1－3首次飞往“国际空间站”。在进步 M1的11次飞行任务中，共有两次飞行中进行了多次对接，其中一次启动了手动遥操纵对接。进步 M1－5曾用于和平号空间站坠落。1

进步 M2（7K-TGM2）从1980年代起，苏联能源火箭航天公司开始研制具有细长形货物舱、载重量更大的进步 M2飞船。该飞船将由天顶号运载火箭送入太空，该火箭的近地轨道发射能力为10～13t。原计划希望天顶号/进步 M从普列谢茨克发射进入高倾角（与赤道夹角62°）轨道，目标为和平－2空间站。苏联的解体从根本上扼杀了天顶号作为俄罗斯载人航天项目运载火箭的计划。在和平－2空间站计划取消、并入“国际空间站”项目之后，俄罗斯计划使用进步 M2补给“国际空间站”，然而，政治和财政问题又一次将该项目拖延了数年，最终于1993年取消。1

进步 M－XXM（7K-TGM）现在，俄罗斯已把装备有新型TsVN－101数字飞行控制系统的进步M货运飞船定名为进步 M－XXM（其中XX为01、02、03等）。TsVN-101系统替代了过时的阿尔贡－16（Argon-16）计算机，连同小型化无线电遥测系统，共同构成了更快、更高效的飞行控制系统。与此同时，飞船上的航电设备总质量减少了75kg，航电设备模块数量减少了15个。进步M－01M于2008年11月26日发射。1

当前状态“进步”系列飞船目前用于补给“国际空间站”。因哥伦比亚号航天飞机在STS－107飞行返回时发生事故而解体，从2003年2月1日至2005年7月26日，“进步”是当时唯一能向空间站运送大量补给品的航天器。

2011年8月24日，进步 M－12M飞船发射失败，未能进入轨道。这艘飞船原计划为“国际空间站”运送补给品。这是自1978年以来“进步”系列飞船遭遇的首次发射失败。俄罗斯能源火箭航天公司曾提议用“渡船”（Parom）飞船替代“进步”飞船。2006年11月，俄罗斯航天局局长佩米诺夫称“渡船”飞船预计于2009年首次发射。2009年至2010年间，一个包含太空拖船和货柜的运输系统重新出现在俄罗斯的一份前瞻性文件中，这一次是专为罗斯－M（RuSM）火箭设计的。该航天器确定为“运输货物空间系统”（TGKS），预计于2015年发射。为适应罗斯－M火箭的有效载荷能力，该货运飞船质量限定为12～14t。2011年10月，俄航天局宣布放弃罗斯－M火箭研制计划。

“进步”飞船近年发射故障情况近年来，“进步”飞船遭遇3次失败。第一次是在2011年8月联盟－U火箭发射进步 M－12M飞船时发生的，当时调查委员会确定的事故原因是：推进剂管路堵塞，导致RD－0110发动机推进剂压力下降，箭载计算机检测到压力下降后，发指令使火箭第三级提前325s关机。

“进步”飞船第二次故障是在2015年4月发射进步 M－27M飞船时发生的，火箭第三级关机时，改进的第三级结构和进步 M－27M飞船之间出现意外碰撞，导致飞船严重受损。虽然飞船已经入轨，但无法从失控状态恢复，因而未能完成货运任务。

莫斯科时间2016年12月1日，联盟－U（Soyuz－U）运载火箭搭载进步 MS－04（Progress MS－04）货运飞船从哈萨克斯坦拜科努尔发射场发射升空，原计划于12月3日对接“国际空间站”（ISS）星辰号（Zvezda）服务舱。然而，在起飞后383s时，火箭遥测突然消失。这是俄罗斯一年半以来发生的首次重大航天事故。初步掌握的资料显示，本次事故让俄罗斯航天国家集团（ROSCOSMOS）蒙受超过40亿卢布（约合6300万美元）的经济损失。2

进步-7号无人货运飞船成功与国际太空站对接携带食物和研究设备等的进步-7号无人货运飞船因Kurs-NA交会系统故障的因素，其首次与国际太空站的交会失败。Kurs-NA交会系统是Kurs对接装置的升级型号。多年来Kurs装置一直用于俄罗斯联盟号载人飞船和进步号货运飞船。Kurs-NA系统将原5个天线合并为1个，升级了电子设备，目的是提高安全性，降低功率。与旧Kurs对接系统相比，新系统功耗要求低，天线更少，质量更轻，俄罗斯希望改进的交会系统将来能用于联盟号载人飞船和进步号飞船。3

7月22日，进步-7号无人货运飞船离开太空站对升级的交会系统进行试验。NASA发言人称，绕轨飞行两周后，俄罗斯专家重启Kurs-NA交会系统进行故障排除，并在7月24日对结果进行分析，分析结果将在再次尝试对接前，由美国宇航局主导的国际太空站管理团队评估。

7月29日，在第二次尝试与太空站对接中，进步-7号无人货运飞船成功实现了与国际太空站的对接。自从俄罗斯执行载人航天任务以来，进步号系列货运飞船始终是执行国际空间站飞行任务的重要组成部分。此次进步-7货运飞船首次对接失败可能对未来计划会产生一定影响。3

进步 M－18M货运飞船2013月2月11日，进步 M－18M货运飞船从拜科努尔发射场升空。发射仅6h后就与“国际空间站”对接。“进步”系列飞船是俄罗斯不可重复使用的货运航天器。它继承了“联盟”系列飞船的外型和部分硬件，由联盟－U火箭发射。从礼炮－6时期开始，“进步”飞船就为苏联空间站运送燃料和其他补给品，现在用于补给“国际空间站”，每年约有3～4艘“进步”飞船飞往“国际空间站”。每艘“进步”飞船与“国际空间站”保持对接直到下一艘“进步”或“联盟”到来的前几天，期间飞船被填满废物，之后解除对接、分离、离轨，在大气层中烧毁。从第一艘“进步”货运飞船开始，俄罗斯先后研制了包括“进步”、进步 M、进步 M1和进步M2系列货运飞船，负责为空间站补充燃料、运送物资和带走废弃物，停靠期间协助空间站进行轨道维持。1

进步MS－04货运飞船发射失败原因分析莫斯科时间2016年12月1日，联盟－U（Soyuz－U）运载火箭搭载进步 MS－04（Progress MS－04）货运飞船从哈萨克斯坦拜科努尔发射场发射升空，原计划于12月3日对接“国际空间站”（ISS）星辰号（Zvezda）服务舱。然而，在起飞后383s时，火箭遥测突然消失。这是俄罗斯一年半以来发生的首次重大航天事故。初步掌握的资料显示，本次事故让俄罗斯航天国家集团（ROSCOSMOS）蒙受超过40亿卢布（约合6300万美元）的经济损失。2017年1月11日，俄罗斯航天国家集团宣布了进步 MS-04货运飞船发射失败的可能原因。2

事故基本情况此次任务计划采用在轨飞行2天、绕地球34圈的飞行程序，正常情况下，飞船应于莫斯科时间12月3日17：18：23开始与“国际空间站”自主交会过程，于19：43：06对接星辰号服务舱。

联盟－U火箭和进步 MS－04货运飞船在垂直起飞后，以51.66°的轨道倾角朝赤道飞行。第一级的4个助推级在飞行118s时与火箭分离，第二级点火，大约飞行159s时抛离整流罩，飞行285s时第二级关机，由第三级继续提供飞行动力。直到382s一直处于正常飞行状态，然而383s时火箭遥测突然中断。

俄罗斯任务控制中心的报道称，根据联盟－U火箭的标准上升剖面，第三级火箭的RD－0110发动机应在飞行8min46s时关机，3s后与“进步”飞船分离，但这两个发射成功的标志性事件在实时遥测读数中均未得到确认。俄罗斯国家航天集团在12月1日的声明中也确认，与火箭的通信在飞行6min23s时中断，此时“联盟”火箭的高度预计约190km，火箭第三级本应继续点火2min23s。2

在预期的分离时间之后收到飞船的间歇信号，确认“航向”（KURS）导航天线已展开，但未能确定太阳电池翼是否展开，只能使用无线电跟踪来确定飞船的轨迹。

另据俄罗斯媒体报道，在距拜科努尔航天发射场约2000km的图瓦共和国人口稀少的偏远地区上空观测到一次爆炸，地面震颤，伴有碎片坠落，爆炸时间和地点与联盟－U火箭第三级的飞行轨迹刚好吻合。在图瓦的偏远林区还发现了进步 MS－04飞船的残骸。

莫斯科时间20：39，俄罗斯航天国家集团宣布其跟踪设施未在预定轨道监测到进步 MS－04飞船。根据初步信息，发射异常发生在图瓦共和国人烟稀少和崎岖区域、高度190km的上空，大部分飞船碎片在再入大气层时烧毁。

此次发射是联盟－U火箭退役前的倒数第二次发射，最后一次计划在2017年初发射，之后将由新一代联盟－2系列火箭替代。此次发射是2016年俄罗斯第3次、也是最后一次向“国际空间站”运送货物，同时这是“进步”飞船第156次执行货运任务，也是第67次执行“国际空间站”货运任务。2

初步分析俄罗斯航天国家集团已经成立了调查委员会，着手调查联盟－U运载火箭通信异常的原因。初步分析显示，直至飞行383s遥测数据消失前没有发现任何问题。

2017年1月11日，俄罗斯航天国家集团宣布了进步 MS－04货运飞船发射失败的可能原因。这次事故是由于联盟－U火箭第三级与飞船未能按计划分离导致。第三级火箭的RD－0110发动机（编号为11D55）出现故障，导致氧化剂泵起火并解体之后，运载火箭第三级氧化剂贮箱解体。氧化剂泵起火并解体的原因可能是由于11D55发动机装配过程中的违规行为，使泵腔内掺入外来的颗粒物，使得该泵的轴与连接套筒之间、浮动密封环和叶轮之间出现错误间隙，从而导致转子失衡并震动。2

此次发射最初定于2016年7月1日，但随后“国际空间站”的一系列任务均遭遇推迟，使发射时间推迟到10月20日，之后再次推迟到2016年12月1日。

进步 MS－04飞船最后的发射准备活动是从11月17日开始的。11月22日完成飞船的推进剂加注。11月24日，飞船安装到运载火箭适配器上。1天后，对飞船进行最终检查，然后将飞船装到整流罩内。11月27日，有效载荷段开始与火箭第三级集成，然后上面级组合体与联盟－U火箭连接。全部组装完成后的第二天，运载火箭移到发射台。

联盟－U火箭和用于发射“联盟”载人飞船的联盟－FG火箭都使用同样的“弗雷盖特”（Fregat）上面级，2周前发射联盟 MS－03飞船、6周前发射联盟 MS－02飞船时，上面级都表现出卓越的性能。2

进步 MS－04飞船进步 MS飞船在进步 M－M飞船的基础上，使用了数字航空电子设备。飞船包括3个舱：货舱、补给燃料舱和仪器-服务舱。

进步 MS飞船使用新的航向－NA（Kurs－NA）交会系统替代了原来的航向－A交会系统，以提高对接过程的可靠性和安全性；并用AO－753A型天线替代2AO－VKA和AKR－VKA型天线，保留了原来的2ASF－M－VKA天线；新的SUD飞行控制系统可通过俄罗斯“全球卫星导航系统”（GLONASS）导航卫星自主测量交会轨迹，不需再通过地面站进行测量；通信系统使用无线电指令系统（EKTS）取代了老的量子－B（Kvant－B）系统，从而能够通过“射线”数据中继卫星实现飞船与俄罗斯地面站的实时联络，地面站既可通过“射线”卫星，也可直接向飞船发送命令并接收遥测数据；飞船还增加了流星体防护系统、闪电防护系统、新的发光二极管照明系统SFOK、改进的BDUS－3A型角速度传感器；对接口增加了备用电动驱动机构；采用新的数字电视系统取代了旧的“交喙鸟”（Klest）模拟电视，飞船和空间站可通过船上无线电频道联络。2

另外，从第3艘进步 MS飞船开始，飞船可选装立方体卫星释放装置。

此次，进步 MS－04飞船载有2442kg的货物，包括用于俄罗斯航天员舱外活动的改进型海鹰-国际空间站航天服（Orlan－MKS）、微型温室以及水和尿循环使用实验系统等。

后续影响“国际空间站”内的6位航天员在12月1日已经得知进步 MS－04货运飞船发射失败，并且处之泰然。目前在没有货物到达的情况下，“国际空间站”内的必备物品储备足以用到2017年3月，水和食物等关键物资可维持到2017年6月初。

2016年12月9日，日本成功发射了H－2转移飞行器，并于12月13日与“国际空间站”成功对接。后续的运输补给计划包括：2017年3月发射轨道-ATK公司的“天鹅座”飞船，2017年初，太空探索技术公司（SpaceX）的“龙”飞船也将回归发射。俄罗斯的“进步”飞船原定于2017年2月1日再度发射，但可能会因此次发射失败而调整。后续发射次数也会根据空间站货物储存状况调整，需要的话会在现有的基础上有所增加。

另外，“联盟”火箭分别在2016年10月19日和11月17日将6名航天员运达“国际空间站”，最早的返航时间应在2017年5月中旬，因此，即使此次“联盟”火箭的故障分析需要持续一段时间，也应不会影响航天员的运送。2