聯盟號飛船

聯盟號（Союз，）是蘇聯研製的第三代載人飛船，與之相對應的載人航天計劃稱為聯盟計劃，其名「聯盟」即指蘇聯。該款太空船由蘇聯第一設計局在 1960 年代為而設計，蘇聯解體後由俄羅斯聯邦太空局繼續使用至今。在 2011 年美國太空梭退役後，到 2020 年 5 月 30 日 SpaceX 公司載人龍飛船 2 號首飛前，乘坐聯盟號飛船是各國宇航員往返國際空間站的唯一途徑。聯盟號飛船低廉的成本，極佳的可靠性和升級潛力讓其在首飛 50 年後仍然活躍在航天舞臺上。截至 2021 年，各型聯盟號飛船已經執行了超過 140 次任務。

歷史

聯盟號飛船原先是為了蘇聯載人繞月計劃和進一步的登月計劃所設計的，於 1966 年 11 月 28 日進行了第一次無人測試飛行，沒有成功。在測試不足的情況下，正與美國進行登月競賽的蘇聯當局在倉促中於 1967 年 4 月 23 日推進了第一次載人任務，代號為聯盟 1 號。聯盟 1 號任務以慘劇收場：飛船從入軌的一刻起就發生了一系列故障，最後因為降落傘無法展開導致宇航員科馬洛夫犧牲。血的教訓使得蘇聯當局放緩了發射時間表，完善了聯盟號飛船的設計，著重提高了可靠性。1 年後的是無人任務，而緊接著的成功地完成了載人返航。聯盟號飛船另一次致命事故是 1971 年的聯盟 11 號任務 —— 聯盟 11 號宇宙飛船返回艙再入大氣層時，其艙內密封性被破壞，導致三名航天員因急速失壓死亡。儘管早期事故頻發，現在的聯盟號飛船在多次改進後被認為是最安全，最經濟實惠的載人飛船。另一方面，聯盟號也是至今服役最久的載人飛船，擁有漫長而光榮的歷史，它曾運載蘇聯宇航員前往禮炮空間站和和平號空間站，蘇聯解體後，它又攜帶著各國宇航員前往國際空間站。國際空間站上永遠停泊著一艘聯盟號飛船作為駐站宇航員的緊急逃生手段。然而進入商業航空時代後，聯盟號飛船的基礎設計已經略顯過時，俄羅斯正在研製更大的鷹宇宙飛船，計劃在未來代替聯盟號飛船執行任務。

設計

聯盟號飛船從前往後由三個部分組成，分別為:

一個球形的軌道艙，供應宇航員在軌道上的生活起居
一個鐘形的返回艙，讓組員能夠重返地面
一個圓柱形的服務艙，外部有提供電力的太陽能板，內部則有各式儀器和引擎

軌道艙和服務艙均是一次性的，在飛船重入大氣層時就會被燒燬。乍看一下這種設計略顯浪費，但其實這種分體設計大大減小了飛船再入時對防熱盾的需要從而從而實現了成本控制和減重。相較於內部容積只有 6.2 立方米，聯盟號飛船的內部可居住空間有 7.5 立方米，而且不需要重型火箭即可發射。雖然聯盟號的各部件不可回收，每次發射都得組裝一艘新的飛船，但是聯盟號整體制造成本十分低廉，使大規模發射成為可能。

聯盟號飛船可以為三名組員提供 30 天的生命支援。生命支援系統在船內維持著海平面氣壓的氮 / 氧大氣 —— 艙內的超氧化鉀（KO2）罐可以與人體產生的大部分二氧化碳（CO2）和水反應從而生成氧氣，剩下的二氧化碳則由另外的氫氧化鋰罐吸收。

發射時飛船外部由兩片整流罩所保護，在發射 2 分半後整流罩和發射逃生系統一同與飛船分離。聯盟號飛船還配備了自動對接系統，在與其他航天器對接時既可以自動完成任務，也可以由宇航員手動對接。

2.1 發射逃生系統

蘇聯第一代的上裝有類似飛機上使用的彈射座椅，當緊急情況發生時，宇航員可以選擇彈射並使用降落傘逃生。然而這套系統具有缺陷，當飛船高度過低時（比如發射的前 20 秒），降落傘無法完全展開並使宇航員安全落地。因此，受同時期美國使用的水星飛船上的逃逸塔啟發，蘇聯設計師於 1962 年開發出了用於聯盟號飛船的逃生系統。這套發射逃生系統被稱為 SAS（translit=Sistema Avarijnogo Spaseniya），聯盟號飛船上的感應器會收集資訊並自動判斷飛船是否處在緊急狀態之中（比如判斷 R-7 火箭的助推器是否正常脫離）。一旦遇險，逃逸程式便會啟動，逃逸火箭會帶著飛船的前半部分脫離火箭主體（而服務艙會留在火箭上）。地面控制人員可以手動開啟逃逸程式，然而飛船上的宇航員卻沒有自主開啟的選擇。

早期測試顯示出在逃逸時在整流罩影響下，聯盟號飛船的返回艙和服務艙無法快速乾淨地分離。後續設計讓整流罩本身也能在返回艙和服務艙連線處斷裂，使得整個載荷前半部分能作為整體脫離。整流罩外也外加了 4 片可摺疊的翼板。整個系統在 1966 年到 1967 年進行了兩次測試。

逃生系統的基本設計在 50 年的使用中幾乎保持不變，所有載人聯盟號飛船發射時都裝有這個系統。唯一的修改是 1972 年因為重新設計的聯盟 7K-T 型飛船攜帶了額外的生命支援裝置，出於減輕重量的原因，逃逸火箭噴嘴上的整流罩被移除。無人版本的進步號貨船裝有假逃逸塔，並拆下了整流罩外的可摺疊翼片。聯盟號在服役歷史中遇過 3 次發射失敗：1975 年的，1983 年的和 2018 年的聯盟 MS-10 號。1975 年，運載火箭二三級未能正常分離，宇航員將飛船與第三級火箭分離，並使用聯盟號飛船自己的引擎逃生。1983 年，運載火箭在地面起火爆炸，宇航員使用逃逸塔逃生。2018 年，聯盟 MS-10 號在發射後 2 分 45 秒，逃逸塔分離後，因助推器分離時發生了碰撞，火箭姿態異常，宇航員使用整流罩上的次級逃逸火箭逃生。

2.2 軌道艙

聯盟號飛船的前部被稱為軌道艙（translit=bytovoi otsek），有時也被稱為居住艙。軌道艙中攜帶了所有飛船再入時不需要的裝置，比如實驗器材，攝像機和貨物。軌道艙同時裝有廁所，對接用電子裝置，通訊裝置等等。其內部容積有 6 立方米，可居住空間有 5 立方米。自聯盟 - TM 之後，近年的聯盟號飛船的軌道艙前部裝有一個小窗，讓組員獲得了前向視野。

軌道艙和返回艙之間的艙門可以被關閉，使得軌道艙可以充當臨時的氣閘。軌道艙的側面設有艙門，宇航員可以從這出艙進行太空行走，這個艙門也是火箭發射前宇航員進入飛船的途徑。與性命攸關的返回艙不同，軌道艙可以依每次任務的需要進行修改。另外，由於宇航員只在微重力下在軌道艙內活動，使得軌道艙的 “上下” 與返回艙的 “上下” 定義不同。通常而言，宇航員習慣以軌道艙的側面艙門為上，在工作時頭對著側面艙門。

在飛船再入時，聯盟號飛船的軌道艙會和返回艙分離。如果不能正常分離，返回艙將會墜毀：處於返回艙上方的軌道艙會妨礙降落傘的展開，反衝火箭也不能支援軌道艙額外的重量。有鑑於此，直到 80 年代後期，蘇聯的標準操作是在發動機點火把飛船送入返回軌道之前就分離軌道艙，確保再入時返回艙一定不與軌道艙相連。然而，1988 年的任務中，蘇聯宇航員提前分離了軌道艙，卻發現自己的飛船無法進入再入軌道。由於缺乏軌道艙裡的設施，在近 24 小時的時間裡，蘇聯宇航員無法使用廁所，也無法再與和平號空間站對接。這一事故使得蘇聯改變了入軌程式，現在聯盟號飛船會在進入返回軌道後再分離軌道艙，以防飛船入軌失敗。

2.3 返回艙

聯盟號飛船的中部被稱為返回艙，用於搭載宇航員從太空返回地球。返回艙再入大氣時會因大氣阻力而急劇升溫，因此其表面由多層耐熱材料所覆蓋。在使用上層大氣進行氣動剎車後，返回艙先會丟擲一副減速降落傘，等速度降低後再丟擲主降落傘；直到返回艙離地 1 米時，其底部的反推火箭會啟動，使返回艙平穩落地。設計上，返回艙要求在表面積（特別是隔熱盾面積）一定的情況下獲取最大的內部容積，因而最理想的形狀是球形，蘇聯最早的便使用了球形返回艙，然而球形無法產生升力，導致再入軌道完全是彈道的，只能保持預定的航向，不可修改。有鑑於此，蘇聯設計師將聯盟號飛船的返回艙改為了鐘形，再入時鐘形較鈍的底部會以一定角度朝下，這樣激波會被推離飛船表面，空氣會把熱量帶走而不靠近飛船。同時由於返回艙的質心不在幾何中心，返回艙有能力產生一定的升力，從而實現落點的控制。返回艙空間有限，早期型號的聯盟號飛船在聯盟 11 號事故後通常攜帶 2 名組員，而聯盟 - T 之後的型號可以攜帶 3 名組員。聯盟號的返回艙的內部容積大約是 4 立方米，可居住空間有 2.5 立方米。

2.4 服務艙

聯盟號飛船的後部被稱為服務艙。服務艙又可以分為兩部分，前部是餅狀的儀器艙，這個加壓模組內包含溫度控制系統，供電系統，通訊裝置，遙測裝置，飛船的導航系統等等；後部是不加壓的引擎艙，包含用於飛船變軌和再入的液體火箭引擎和燃料。服務艙外部另外裝有姿態控制引擎，感測器，和太陽能電池板。再入時，服務艙會在軌道艙之後與返回艙分離。歷史上在，和任務期間出現過服務艙和返回艙不完全分離的事故，導致返回艙再入大氣層時姿態錯誤（“小頭” 朝下），所幸三次事故中均沒有出現人員傷亡。

2.5 太空船主系統

溫度控制系統 - Sistema Obespecheniya Teplovogo Rezhima, SOTR
生命維持系統 - Kompleks Sredstv Obespecheniya Zhiznideyatelnosti, KSOZh
電力供應系統 - Sistema Elektropitaniya, SEP
通訊追蹤系統 - Rassvet（黎明）無線電通訊器，內建測量器（SBI），Kvant-V 太空船控制器，Klyost-M 電視系統，軌道無線電追蹤（RKO）
綜合控制系統 - Sistema Upravleniya Bortovym Kompleksom, SUBK
綜合推進系統 - Kompleksnaya Dvigatelnaya Ustanovka, KDU
“海鷗 - 3” 運動控制系統（SUD）
光學視覺裝置（OVP）- VSK-4（Vizir Spetsialniy Kosmicheskiy-4），夜視裝置（VNUK-K, Visir Nechnogo Upravleniya po Kursu），泊定指示燈，駕駛員瞄具（VP-1, Vizir Pilota-1），雷射測距儀（LPR-1, Lazerniy Dalnomer-1）
“航向” 對接系統 - Курс
泊定系統 - Sistema Stukovki i Vnutrennego Perekhoda, SSVP
機器人控制系統 - Teleoperatorniy Rezhim Upravleniya, TORU
機械臂系統 - Sistema Ispolnitelnikh Organov Spuska, SIO-S
降落套件 - Kompleks Sredstv Prizemleniya, KSP
攜帶式維生包 - Nosimiy Avariyniy Zapas, NAZ，包含一把 TP-82 複合手槍或馬卡洛夫手槍
發射逃生系統 - Sistema Avariynogo Spaseniya, SAS

軌道艙（A）

1 泊定系統

2, 4 對接系統雷達

3 電視天線

5 攝像機

6 艙門

返回艙（B）:

7 降落傘艙

8 潛望鏡

9 舷窗

11 防熱盾

服務艙（C）:

10, 18 軌道高度控制引擎

12 地球感測器

13 太陽感測器

14 太陽能板連線處

15 溫度感測器

16 對接系統天線

17 主引擎

19 通訊天線

20 燃料罐

21 氧化劑罐

衍生型

聯盟號飛船發展歷史

自 1960 年代以來，聯盟號飛船的設計經歷了多次修改和迭代。下文列出了其發展史上的一些重要衍生型。

3.1 規格

3.2 聯盟 7K（7K-9K-11K 繞月複合體的一部分）（1963 年）

聯盟號飛船的基礎設計來源於科羅廖夫在 1960 年代早期提出的聯盟 A-B-V 概念（又稱 7K-9K-11K 繞月複合體，或者 L1）中的聯盟 7K 部分。由於 R-7 火箭的運力有限，科羅廖夫設計的繞月飛船由 3 部分在地球軌道上組裝而成。聯盟 7K 在複合體中負責搭載 2 名乘員，聯盟 9K 是軌道拖船，負責提供推力，而聯盟 11K 是油船，在給聯盟 9K 提供燃料後脫離。整個設計需要多次發射和多次對接，被更簡單可靠的設計所取代。

3.3 第一代

聯盟 7K-OK，搭載了對接裝置

聯盟 7K-OKS，用於禮炮計劃

儘管 7K-9K-11K 繞月複合體設計被棄用，但是聯盟 7K 的設計卻受青睞並被選為蘇聯下一代的載人飛船。從 1967 年到 1971 年發射的聯盟 1 號到聯盟 11 號被認為是第一代聯盟號飛船。其特徵是彎曲的太陽能電池板和軌道艙上方直立的雷達天線。它們可以搭載多至 3 人的組員，但此時蘇聯宇航員在艙內不穿戴航天服，為聯盟 11 號事故埋下了隱患。第一代聯盟號飛船又可以分為聯盟 7K-OK 和聯盟 7K-OKS，後者為了和禮炮 1 號空間站對接做了一定修改，泊定和對接系統允許宇航員從聯盟號內部轉移到空間站上。

聯盟 7K-L1 型是以聯盟 7K 為基礎設計的一款繞月飛行器，計劃由新的質子運載火箭發射。從 1967 年到 1970 年，聯盟 7K-L1 在探測器專案下進行了一系列無人測試（探測器 4 號到探測器 8 號）。早期測試事故頻發，嚴重拖慢了專案進度。隨著美國 1968 年 12 月完成阿波羅 8 號繞月任務和 1969 年 7 月阿波羅 11 號登月任務後，蘇聯官方逐漸對登月競賽失去了興趣，聯盟 7K-L1 計劃也隨之取消。聯盟 7K-LOK 型是和聯盟 7K-L1 型同時研製的用於登月任務的改型，由於搭載其發射的 N1 火箭可靠性堪憂，整個計劃在 70 年代中期取消，蘇聯決定集中精力完成更具有實際意義的太空站計劃。

3.4 第二代

升級後的聯盟 7K-T

聯盟 12 號到聯盟 40 號被認為是第二代聯盟號飛船，稱為聯盟 7K-T 型，其特徵是沒有安裝太陽能電池板，取而代之的是兩根針狀天線。這一衍生型是基於設計（聯盟 P，聯盟 PPK，聯盟 R）改進而來，由於聯盟 11 號災難性的失壓事故，第二代聯盟號的組員減至二人，但他們配備了以防飛船起飛和再入時出現意外。

聯盟 7K-T/A9 次型用於軍用的鑽石空間站，增加了空間站遙控系統和新的降落傘。另外一些變動至今仍未公開。

聯盟 7K-TM 型用於 1975 年的阿波羅 - 聯盟測試計劃和 1976 年的聯盟 22 號任務。聯盟 7K-TM 型可以認為是二、三代聯盟號飛船之間的過渡型。

3.5 第三代

聯盟 T 型

第三代聯盟號飛船被稱為聯盟 T 型（T 代表：lit = 運輸），在 1976 年到 1986 年間發射。聯盟 T 型的特徵是其再次安裝了太陽能電池板，和改進的 “針” 式對接系統（天線形狀不同）。飛船組員增至 3 名，仍然配有 “隼” 式艙內宇航服。

3.6 第四代

3.6.1 聯盟 TM 型（1986 年–2002 年）

聯盟 TM 型。注意船頭天線的不同。

聯盟 TM 型（M 代表：lit = 改進）在 1986 年到 2002 年間發射。主要改進是將對接系統換成了更先進的 “航向” 對接系統（Курс）。在服役期間，聯盟 TM 型主要用於向和平號空間站和國際空間站輸送乘員。

3.6.2 聯盟 TMA 型（2003 年–2012 年）

聯盟 TMA-6 號

聯盟 TMA 型（A 代表：lang-ru|антропометрический|translit=antropometricheskii|lit = 人體測量學）和上一代的聯盟 TM 型在外觀上非常相似，主要區別在於 TMA 型在 NASA 要求下改善了聯盟號飛船的居住性，可以容納更高更重的宇航員。另外 TNA 型擁有新的組員座椅，降落傘系統，和數字化的控制系統。

3.6.3 聯盟 TMA-M 型（2010 年–2016 年）

聯盟 TMA-M 型是對聯盟 TMA 型的再次改進，區別在於聯盟 TMA-M 型加裝了新的船載電腦，數字化屏顯，新的對接系統，同時減去了 50 千克質量。聯盟 TMA-M 型於 2010 年 10 月 7 日的聯盟 TMA-01M 任務首飛。

2013 年的聯盟 TMA-08M 任務創造了空間站最速對接的新紀錄。此次任務使用了 6 小時的 “快速” 對接模式，而不像之前的聯盟號飛船那樣需要用上 2 晝夜。

3.6.4 聯盟 MS 型（2016 年至今）

聯盟 MS-01 號

聯盟 MS 型是對聯盟號飛船的最終升級，於 2016 年 7 月的聯盟 MS-01 任務中首飛。

主要升級有：

更高效的太陽能電池板
改進的對接和軌道高度控制引擎
新一代 “航向” 對接系統，重量為上一代的一半，耗能為三分之一
新的 TsVM-101 船載電腦，重量為上一代的八分之一，體積也小得多。
整合的數字化控制 / 遙測系統（MBITS）
搭載了 GLONASS/GPS 和，為返回艙落地後搜救工作提供幫助。

相關設計

無人的進步號貨船基於基於聯盟號飛船衍生而來，用於為禮炮號空間站，和平號空間站和國際太空站提供物資補給。

儘管在技術上沒有直接關聯，但是中國的神舟飛船在設計時很大程度上參考了聯盟號。

印度的 ISRO 軌道飛行器也使用了聯盟號的基本構型。

圖集