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聊聊載人航天發射都怎麼逃生?


- 2018年10月14日01時26分
- 科學文摘 / 衛星與網絡

衛星與網絡

俄羅斯今年的航天發射數量,被中美兩國遠遠甩在身後,但10月11日,俄羅斯航天卻以另一種方式幾乎獨霸全球頭條:聯盟MS-10載人飛船發射失敗了!

發射本次MS-10飛船任務的聯盟-FG火箭

幸運的是雖然聯盟火箭出了大問題,但載人飛船安全逃逸,飛船內的兩名太空人(一名美國人,一名俄羅斯人)迅速被救回。


載人航天發射向來力求萬無一失,這其中逃逸系統至關重要,並且這正是俄羅斯聯盟號飛船的看家本領。本次事故究竟是如何發生的?人類載人航天史上發生過多少次逃逸事件?載人航天發射有幾種應急救生(逃逸)方式?本文中,我們逐一來聊聊。

驚心動魄的緊急逃逸

讓我們先來回顧一下本次事件。

北京時間10月11日下午4時40分15秒,俄羅斯製造的聯盟-FG火箭從拜科努爾發射升空,將聯盟MS-10飛船送往國際空間站,值得一提的是,這次發射不僅是今年發射的第三艘聯盟號載人飛船,還要進行快速交會對接,計劃在發射後6小時即抵達國際空間站。不過快速對接的噱頭和發射失敗帶來的驚險相比,那就小巫見大巫了。

火箭升空後1分54秒(114秒),火箭闖過了最大動壓區,聯盟-FG載人火箭頂端的逃逸塔被拋棄,接下來又過了4秒,火箭的4枚助推器開始分離,四個助推器同時分離在空中形成漂亮的十字形,這就是聯盟號系列火箭經典的科羅廖夫十字,然而這次發射恰恰是助推器出了大問題,4枚助推器有一枚沒有正常分離,隨後反而撞上了火箭芯級!聯盟火箭還真是可靠性高,這一撞也沒爆炸,但火箭芯級發動機隨後關機,發射中止啟動應急逃生程序,此時升空才2分03秒(123秒),而且火箭高度只有約50公里,可謂是上不著天下不著地,怎麼辦?

聯盟-FG火箭助推器分離,科羅廖夫十字卻缺了一角


飛得好好的火箭突然關機熄火,太空人和地面人員都是膽戰心驚:火箭是否會爆炸?飛船能否及時與故障火箭分離?如果兩個答案都是壞的結果,那麼後果將不堪設想。

幸運的是,雖然火箭逃逸塔已被拋棄,但應急救生系統啟動後,升空後第123秒的聯盟號飛船還是順利緊急分離成功,這讓大家鬆了一口氣。

飛船發射升空後2分40秒後,返回艙和飛船的其他部分分離,進入拋物線彈道飛行。聯盟號和神舟號飛船從太空返回,返回艙攻角適當時升阻比大於0.1,屬於有升力的半彈道式飛行,通過滾動控制改變升力方向控制軌道,可以降低返回過載減小落點散布,但這次緊急逃生哪裡顧得上飛船姿態,自然成了純彈道式再入,據說過載達到了6.7g之多,雖然遠遠低於聯盟飛船前兩次應急逃生時出現的14g-17g的高過載,但是地面不知道飛船過載如何,擔心太空人在高過載下受重傷,更擔心落地後出現險情,俄羅斯人趕緊調動搜索救援隊。飛船返回艙在低空打開降落傘,最終飄落在哈薩克斯坦傑茲卡茲甘市以東20公里的地方,救援人員很快聯繫上太空人並迅速趕到,這時驚心動魄的一幕才算化險為夷。目前,兩位太空人已經被接回,從照片上看身體狀態還不錯,並沒有明顯的受傷跡象。

俄國太空人阿列克賽·奧夫奇與美國太空人尼克·黑格獲救後和俄國家航天集團公司總經理羅戈津(中)合影

逃逸系統屢立戰功

本次兩名太空人平安返回,有驚無險,發揮最關鍵作用的就是聯盟號火箭的應急救生系統(SAS)。應急救生系統最為人熟知的部分是火箭頂端的逃逸塔,也被形象的稱為逃逸系統。聯盟號飛船的逃逸系統再立新功,又一次保住了太空人們寶貴的生命。

聊聊載人航天發射都怎麼逃生?圖片

聯盟火箭頂部像避雷針似的就是逃逸塔

上得山多終遇虎,聯盟號火箭雖然發射成功率相當出色,但也難以避免出現失敗。聯盟號飛船歷史上有兩次應急逃逸經歷,一次是1975年4月5日的聯盟18a發射,火箭發射後288秒已經到達145公里的高空,但一二級分離失敗,二級發動機點火隨後「噴」開第一級,但火箭已經偏離原有軌道,發射後第295秒制導系統發現了這個問題,自動激活中止程序隨後飛船分離逃逸,這時逃逸塔和整流罩都已經分離,高空逃逸靠的是聯盟號飛船自己的發動機。飛船高速彈道式逃逸再入大氣層,當時的兩位太空人可就沒有這次的太空人幸運了,他們被折騰得夠嗆,分析認為該次過載達到了15個g,甚至事後太空人回憶稱,再入時的過載峰值恐怕有21.3個g,能活下來真是不容易,再次致敬這些宇航探索的英雄們!平安返回後,其中一名太空人瓦西里·拉扎雷夫再也沒有上過太空,恐怕是身體在那次事故中遭受了不小的影響。話雖如此,總算是活著回到地球,聯盟號飛船的逃生能力表現得可圈可點。

以上描述的聯盟18a飛船逃生的事故原因,和今年的聯盟MS-10事故情況截然不同,不過要說1983年9月27日的聯盟T10a事故,倒有些相似,都是由助推器引起,但情況更為驚險。聯盟T10a飛船發射前90秒,火箭助推器增壓氮氣管路的一個閥門失效,發動機渦輪泵空轉過載然後煤油泄露了,結果引發了火災!飛船內的太空人感覺到了振動,但隔著整流罩他們看不到外面發生了什麼,不過他們知道了也只能幹著急,太空人無法手動啟動應急救生系統逃逸,更糟糕的是,地面控制室也遇到了問題,他們發出了激活逃逸系統的指令,但控制電纜被發射台上的大火燒得失效了!幸虧備用的無線電指令還能用,幾秒之後逃逸塔拉著飛船升空,飛船逃逸後只過了幾秒,燃燒中的聯盟號火箭就爆炸了!逃逸過程中,兩位太空人承受了17個g的過載,而且時間長達約5秒,所幸未危及他們的生命,最終飛船返回艙安全落在距離發射台4公里外,這可是貨真價實的死裡逃生,要比本次聯盟MS-10的逃生驚險得多,也是人類航天史上,逃逸塔在實際載人發射任務中的唯一一次應用。

1983年9月27日聯盟T10a飛船緊急逃逸,遠處旁觀的軍官們肯定出了一身冷汗!

五花八門的逃逸系統

載人航天是一個國家科技水平和軟實力的象徵,美國總統甘迺迪就曾表示:「到達月球的是人而不是儀器,才能激發世界的熱情和夢想」。反過來說,如果不幸出現船毀人亡的事故,對國家形象、航天科技的發展及國民的信心來說,打擊都是沉重的。為了提高太空人的安全性,各國載人航天系統都準備了應急救生的預案。

俄羅斯聯盟號飛船一開始就設計了應急救生系統,隨著需求的完善發展出多種型號,早期聯盟號火箭的應急救生主要依靠逃逸塔,它用於發射前20分鐘到發射後100多秒內的應急救生逃逸,一旦出現危及太空人安全的緊急情況,逃逸塔上的固體大推力發動機就會點火帶動飛船分離。然而早期的應急救生系統有個不小的隱患,如果故障發生在整流罩打開後,飛船可以依靠自己的主發動機分離逃生,但事實上,逃逸塔分離後還需要一段時間整流罩才分離,這期間要是出現異常,比如這次聯盟MS-10飛船的情況,那麼太空人只能聽天由命了。

為了堵上這個救生空白區,聯盟7K-S飛船使用了改進的應急救生系統,它不僅逃逸分離發動機推力更大,還在整流罩上額外安裝了4台分離發動機,這樣逃逸塔拋棄後到整流罩分離前這一小段時間的安全也有了保證,雖然這要付出增重的代價,但生命比什麼都重要,只要火箭運力足夠,這絕對是值得的。聯盟號火箭應急救生系統的這一冗餘設計也被我國的CZ-2F火箭繼承,我國神箭的應急救生系統同樣包括逃逸塔和整流罩上的分離發動機。至於整流罩分離之後,就要靠飛船的主發動機工作分離逃逸了。

整流罩上的分離發動機

那麼航天超級大國美國的應急救生系統如何呢?美國發射水星飛船的水星-宇宙神火箭和發射阿波羅飛船的土星五號也都使用了逃逸塔,水星計劃中還出現了人類第一次應急救生逃逸:1961年4月25日水星-宇宙神3任務中,美國打算用宇宙神火箭將水星飛船送入軌道,但升空後不過20秒火箭就失去控制,地面官員忍痛在起飛後42秒發出火箭自毀指令,同時逃逸塔拉著飛船分離,飛船最高達到7200米高的頂點後下墜落入大西洋。當然這次任務艙內只有個模擬假人,沒有那麼驚險。應急救生系統也有主動「闖禍」的時候,1966年蘇聯聯盟號飛船的第二次無人飛行試驗中,聯盟號火箭自動中止發射後,應急救生系統固體發動機突然點火,結果引發全箭在發射台上爆炸!

美國航天在應急救生系統設計方面,有一些「另類」,美國的水星和阿波羅飛船之間,還有雙子星飛船,發射雙子星飛船的火箭居然沒有逃逸塔,這可怎麼逃生呢?美國人的辦法是彈射座椅,但考慮火箭的速度和加速等影響,雙子星飛船彈射座椅實際上只能在5公里以下高度用,而無法提供整個發射段的應急救生。

雙子星飛船的彈射座椅試驗。彈射座椅對火箭影響小,但使用高度低只是權宜之計

幸好雙子星飛船沒有出現發射事故。不要以為這個荒謬的腦洞「下不為例」了,誕生於80年代的太空梭上居然也沒有逃逸系統!太空梭最早擁有逃逸火箭ASRM,但太空梭研製中受到超重的困擾,後續改進中居然刪掉了!

太空梭早期裝有緊急逃逸固體火箭發動機(ASRM),但為了減重卻刪掉了,挑戰者號太空梭的悲劇本可避免!

NASA樂觀的表示太空梭固體助推器極為可靠,即使發射出現問題也可以將太空梭推到足夠的高度脫險,也就不需要什麼整體逃逸救生的設備了。當然,我們都知道真正的原因是減掉ASRM讓軌道器減重3噸多,整架太空梭更是減重44噸。

太空梭早期試飛的4次飛行裝有彈射座椅,但從第5次也就是正式運行開始就不能用了

哥倫比亞號的第一次飛行裝有彈射座椅,但只能在不高於2萬4千米高度和4馬赫速度下使用,雖然比雙子星的彈射座椅大有提高,但也只覆蓋了太空梭動力飛行段時間的約1/5,接下來正式飛行後彈射座椅就被廢棄了,NASA還真是對自己信心百倍!

然而,1986年挑戰者號太空梭在發射後的第73秒由於固體助推器發生故障,最終導致太空梭空中解體,機上7名太空人全部罹難。悲劇狠狠打了NASA的臉,事後調查發現,太空梭解體後至少有部分太空人還活著,他們是落到海面上被活生生摔死的,如果太空梭設計沒有刪除逃逸火箭,太空人們將有很大幾率能活下來!

太空梭彈射座椅的開艙口仍然在,但彈射座椅正式飛行任務中已經棄用,第22次飛行開始乾脆換成了工作座椅。

挑戰者號事故後,增強逃生能力的呼聲又一次高漲,NASA雖然進行了很多軟硬體修改提高安全性,但增加逃逸火箭改動太大還是被放棄了,美國太空梭居然就這麼繼續對付了17年。然而2003年,悲劇再次發生,哥倫比亞號太空梭返航再入大氣層時發生事故解體了,7名太空人犧牲,數以百萬計的觀眾在電視直播中目睹了這慘烈的一幕……這下美國人終於認識到太空梭安全性無可救藥,於是重回載人飛船路線,太空梭2011年全部退役,新一代載人飛船都使用了應急救生逃逸系統。

美國人對創新的追求似乎擁有不可理解的執念,就算太空梭的應急救生系統設計缺陷導致了兩次機毀人亡的慘劇,美國航天仍不甘心「走回頭路」。新一代載人飛船中,只有NASA的獵戶座飛船使用了傳統的逃逸塔設計,算是唯一的保守派。商業載人飛船包括波音公司研製的CST-100和SpaceX公司研製的載人龍,都將使用更新穎的推式逃逸系統。

傳統的逃逸塔在飛船上方,緊急情況下拉著飛船逃逸脫離,而推式逃逸系統的發動機在飛船上,一旦遇到緊急情況,將推著飛船快速脫離火箭。那麼整流罩怎麼處理呢?這兩種新飛船乾脆沒有整流罩,可以說把應急救生逃逸系統精簡到極點。這樣的推式逃逸設計沒有逃逸塔和整流罩的額外重量,也避免了逃逸塔分離和整流罩分離這些步驟帶來的可靠性問題,同時保留了優秀的應急救生逃逸能力,做到了減重和救生兼得。推式逃逸設計系統理論上具有更高的可靠性,但究竟實際效果如何,恐怕還只能等未來實際發射的檢驗。

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