科学号实验舱：俄航天在拖延中“重整旗鼓”

文/ 张振威

质子M火箭送科学号实验舱踏上旅途

2021年7月，随着从2007年起一直因各种原因推迟的科学号（Nauka）多功能实验舱成功升空入轨，国际空间站在2011年基本完成建设后的10年节点之际，再次接受一个重达20吨级别的实验舱段。

俄码头号节点舱腾出位置，以便让科学号多功能实验舱对接国际空间站。这对于自去年起陷入舱段漏气与设备故障风波的俄罗斯舱段来说，是个可延长其使用寿命的好消息。但在国际空间站未来命运未定的大背景下，还未上天就已落后的“科学号”到底能在空间实验上发挥多大的效能？它对于俄罗斯载人航天事业又有怎样的意义？

躺了 10多年的“科学号”

北京时间2021年7月21日22时58分，随着第425发质子号运载火箭发出的呼啸，科学号多功能实验舱发射升空，随后进入近地点190千米、远地点350.1千米、倾角51.6度的预定轨道，并于7月29号完成了与国际空间站星辰号核心舱节点对接口的对接工作。

作为国际空间站建设以来俄罗斯第一个正式的专业实验舱，“科学号”由俄罗斯国家航天集团公司旗下的科罗廖夫能源火箭航天公司与赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心合作制造与发射。舱段壳体始建于1995年，建造伊始是作为国际空间站第一个入轨舱段曙光号功能货舱的地面备份，名叫“功能货舱-2号”。后于2004年改造成为专业的实验舱段，为节约资金，俄罗斯在10多年前逐步取消了国际空间站上后续除气闸舱性质的其他实验舱段建设计划。

全能型选手“科学号”

科学号实验舱属于多功能舱，基本上具备服务舱+生活舱+实验舱+货物舱的全部功能。舱段设置有加压隔间、自动对接系统。加压隔间配置完善的环境控制和生命保障系统，可以控制循环风机、热转换器、火警探测设备等，可以满足航天员生命保障、舱外活动的指令与数据处理、电力、与进步号货运飞船手动对接的需要。它的自动对接系统可以供联盟号载人飞船、进步号货运飞船停靠。

科学号实验舱舱段长13米，舱段主直径2.8米，舱段最大直径4.11米，总重20.3吨，2块太阳能电池帆板总面积是56平方米，电力供应为2.5千瓦，气密空间为70立方米。该舱舱外规划16个实验设备的安装位置，舱内有14个安装位置。舱内携带有俄罗斯标准的小型实验机柜等可选的补充设备。按照俄官方说法，“科学号”入轨后将执行13项主要实验科目，为航天生物学和生理学、未来航天科技、太空材料学、宇宙射线物理、对地观测、太阳系等科研方向的研究提供有利条件。

具体来说，有如下几大实验项目：

•半导体与改性碳材料等新型材料的试验生产；

•恒温培育蔬菜与孵化鹌鹑等生物实验；

•研究大气电离层与太空辐射等物理研究实验；

•核动力飞船使用的金属液滴冷却装置试验。

与曙光号功能货舱相比，“科学号”安装了一套更高效的再生式环控生保系统，使得俄罗斯舱段部分具备了尿液等水再生循环能力，配备有可高效满足6名航天员生活需要的制氧机。此外，舱内还配备有俄罗斯舱段部分第三个人的居住隔间和第二个卫生间。该舱段作为自有动力舱段，具备使用姿态控制系统发动机对国际空间站进行侧滚控制的能力。该舱段与今年四季度发射的新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。

此外，与曙光号功能货舱的外观不同，“科学号”舱外携带了一个欧洲机械臂、额外散热板、2.1立方米的节点舱扩容气闸舱与节点观测舷窗。

研制过程一波三折

“科学号”是基于曙光号功能货舱研制，但其制造的历程却十分坎坷，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。

“科学号”作为曙光号的备份舱，从1995年开始建造，到2000年完成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才与原俄罗斯联邦航天局签署了多用途实验舱的研制合同(任务代号MLM），“科学号”的研制走上正轨，并在加加林航天员训练中心建造配套的舱段模拟设施。最初计划于2007年发射。后因加装欧洲机械臂，推迟至不早于2014年。

到2012年，舱段已经在赫鲁尼切夫中心完成了多个有效载荷的组装与测试。基本完成建造工作后，“科学号”转交至科罗廖夫能源火箭航天公司进行自主与综合测试。此时该模块被命名为Nauka，这是俄语中“科学”的意思。

2013年，工程技术人员发现“科学号”加注阀门存在泄漏，并发现推进系统存在污染，舱段被退回赫鲁尼切夫中心。当时有报道说修理和清理工作需花近10个月，不料这10个月最终变成了4年。

枯燥乏味的清理和修理工作进入最后阶段，人们终于看到该舱在2017年底或2018年上半年发射的希望。但是，工程技术人员随后在科学号实验舱的推进剂贮箱里也发现了他们几年来一直在奋力清除的相同污染。他们曾试图把污染物冲洗掉，却以失败告终。为了留出贯穿首尾的加压内部通道，“科学号”的储箱是成弧形围绕壳体外侧分布，就像左轮枪的弹仓一样。这些贮箱是在上世纪90年代初设计的，早已停产，难以通过更换来解决问题。幸运的是，曙光号功能货舱建造完成后还余留了一套较短的贮箱。

成功对接

此次任务的徽标

其间，自2014年起俄罗斯经历乌克兰危机和内部意见分歧等事件的冲击，项目险些下马。到2015年底，俄罗斯联邦航天集团公司将一份新的合同授予了科罗廖夫能源火箭航天公司，对“科学号”进行改进，代号（MLM-U），其中U代表这“升级、改进”之意。

可是这并不意味着项目的一帆风顺。根据俄媒2017年的报告，备份的贮箱也受到了金属锯屑污染，只有沿纵轴切开储箱进行清理这一条路可走。针对污染，俄方曾制造特殊装置进行污染去除，但这一努力最终没能成功。

而储箱的碎屑污染只是“科学号”面临的麻烦之一。因为“科学号”在地面储存过久，舱段的部分橡胶密封件也出现了老化现象，几乎所有运行在舱外的推进剂管线、阀门都必须更换。随着地面存储时间越来越长，发动机已经超过了保修期，也必须更换。为了更换那些被污染的推进部分，欧空局的机械臂和其他一些设备被拆下以留足空间。

2019年，俄方决定用联盟2号火箭上使用“军舰鸟”上面级的球型燃料贮箱取代科学号舱被金属刨屑污染的燃料箱。新燃料贮箱内的燃料加注总量比旧燃料箱内的燃料少，因此，需设计科学号实验舱更省燃料的变轨交会对接方案。

俄罗斯地面控制室大屏

即将对接

进步MS-16飞船与“码头号”分离

作为燃料贮箱，新更换的上面级球型贮箱因为气囊材料问题，无法再次充气补充燃料。受此影响，“科学号”无法通过进步号货运飞船进行二次在轨加注，无法为国际空间站提供长期的轨道姿控与维持工作。更重要的是，这也断绝了科学号实验舱未来脱离国际空间站后作为独立空间站舱段部分自主运营的选择余地。2019年5月，官方再一次宣布推迟至发射至不早于2020年10～11月。

“科学号”对接后国际空间站舱段与飞船情况

此外，科学号实验舱的推进系统因为阀门管道设计复杂，一直存在泄漏的问题。俄方技术人员在长期处理后确立了如下的设计方案：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，使“科学号”在个别发动机失效的情况下仍然能够抵达国际空间站。

科学号实验舱对接成功后

发射之前的笑话

2020年8月11日晚上，科学号实验舱终于启程，在抵达拜科努尔后开始进行一系列准备测试。这将是最后一个纯正“礼炮”血统的空间站舱段，此后俄罗斯规划的舱段都是俄罗斯联邦在本世纪全新概念设计的新舱段。这也是质子号火箭最后一次执行空间站舱段发射任务。

到2021年1月，科学号实验舱已经完成了80%的地面整体测试与设备的安装。欧洲机械臂也抵达拜科努尔进行再次安装。6月份，科学号实验舱完成了机械臂等设备的最后装配，真空室试验、称重及压力测试后与级间段组装，完成合罩，准备升空了。

7月1日，科罗廖夫能源火箭航天公司的工程师在公开图片中突然发现科学号实验舱星敏器与红外探测器热防护罩没有安装，后被证实，热防护罩压根就没有生产。

合罩后还未加注燃料的舱段重新推回254号总装测试厂房。官方在7月8日宣布，紧急安装热防护罩后，“科学号”于7月21日22点58分准时发射。

升空之后状况频发

“科学号”入轨后接二连三出现状况。首先是红外传感器的测试失败，再就是航向-A对接系统的雷达天线未能成功展开。变轨过程中舱段出现了飞控软件故障，导致其推进系统高压罐与低压罐之间的压力平衡出现问题，过早地平衡了高压区和低压区的压力，导致燃料无法流动，轨道机动发动机不能正常点火工作，所幸罐体本身无泄露等异常。为解决压力平衡问题，俄方在修复软件数据后使用反作用控制系统发动机（RCS）进行燃料沉底降低低压区的压力，这样帮助建立高低压区的压力差，燃料流动起来，发动机进行了升轨与姿态调整。在成功的进行几次变轨后，于7月29日完成了与国际空间站的对接。

科学号实验舱平面示意图

对接成功后，航天员在穹顶窗户拍摄到的“科学号”

科学号实验舱对接中

但是，科学号实验舱的计算机误认为“科学号”还没完成与国际空间站的对接，意外使用姿控发动机点火推动国际空间站调整姿态，直到燃料耗尽才关闭发动机，误点火时长约50分钟。

联盟MS-18成员组航天员地面考察科学号

随后，星辰号核心舱和进步 MS-17货运飞船相继点火修正，但是在科学号实验舱点火中止后，仍然导致国际空间站转动角速率超标5倍，轴倾斜540°。最终，国际空间站恢复了正常姿态。

此后，俄方将花费12个月完成新舱段与国际空间站的整合，包括同原有舱段与欧美舱段各种连接电缆、“码头号”拆除的外挂设备的安装，气闸舱与散热板的安装，舱段设备与机械臂的调试。这阶段需要安排9次太空行走，每次太空行走耗时6个半小时。

而2001年发射并对接国际空间站的码头号气闸舱则于“科学号”成功发射后，于7月26日在进步MS-16货运飞船的带领下一同与国际空间站星辰号核心舱节点对接口分离，在南太平洋预定上空化为一道绚丽的流星。

老迈的“星辰号”

从1995年“科学号”开始制造算起，已经走过了26年，同时也是国际空间站第一个舱段曙光号服役超过22年后组装对接的俄罗斯新舱段。

正在拜科努尔航天发射场254场区内进行总装作业的科学号实验舱

最近大半年的时间里，国际空间站俄方航天员一直在努力的寻找与修复星辰号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。直到今天，“星辰号”还在陆续发现新的泄漏点。正是因此，俄罗斯国内想放弃科学号实验舱的声音逐渐消失，并对其抱有很高的期望，计划将它作为国际空间站内新的核心舱使用。但是“科学号”并不足以替代星辰号核心舱，首先是其独立控制能力方面，舱段没有安装动量轮；其次是舱段自身无法在轨加注燃料，只能通过其加注管路将燃料输送至“曙光号”与“星辰号”舱段内；再加上其尴尬的加压容积导致的硬件安装局限，使得其只能作为星辰号核心舱的有力助手而无法取代“星辰号”。

再入前的“码头号”舱段

送别“码头号”

举步维艰的俄航天

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，因此俄罗斯考虑计划自2025年起退出该项目，并着手建造自己的空间站。

这样一来，俄罗斯将放弃新设计的科学与动力实验舱2024年后对接至国际空间站的计划而独立运行，新的节点舱也将由进步号货运飞船运输至新的空间站轨道。

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、商业游客舱、气闸舱、非加压平台舱、节点舱、充气舱。最有特色的商业游客舱段配备大型对地舷窗等，满足太空旅行的游客需求。

不过，俄方权威网站展示的自建空间站，集体性地省略了科学号实验舱，而都将是本世纪全新设计的空间站舱段，如新的节点舱与科学动力实验舱。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。此外据媒体报道，俄罗斯联邦航天集团公司正在与美国宇航局就俄方退出国际空间站项目一事进行积极接触，有关负责人暗示俄方愿意“有条件地”向美方转让国际空间站上的俄罗斯舱段（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。一旦脱离国际空间站，这些舱段将只有进入大气层烧毁的结局。

作为空间站发展先驱的俄罗斯，在空间站的发展事业上以“科学号”跌宕起伏的研制历程为代表，航天事业的缓慢步伐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。科学号实验舱虽然遇到诸多的困难，但对处于体系重建阵痛阶段的俄罗斯来说，需要一个综合项目来重新建设与锻炼载人航天工程的体系与研制团队，这样一来科学号实验舱就有了“重整旗鼓”的重大意义。通过科学号实验舱项目的锻炼，俄罗斯现在也有能力建造新的空间站，但一切都要取决于资金、决策以及俄罗斯航天体系的上下游全力配合。至于科学号实验舱未来的结局与俄罗斯能否如期完成本国空间站的建造，还需拭目以待。