近日,Space-X公司的龙飞船成功将两位宇航员送入国际空间站,引发全球关注热点。
猎鹰9运载火箭执行此次发射任务
载人龙飞船入轨19个小时后成功与国际空间站对接
此次发射对美国而言意义非常重大,其中原因之一就是:自从航天飞机停飞,美国已经连续9年没有向太空运送过宇航员(都是借助俄罗斯运送)。
美国淘汰航天飞机的一个重要原因是:系统复杂导致可靠性降低(相对方案简单的飞船而言),而且没有逃生系统。
历史上最令人悲痛的两次航天事故,都是航天飞机造成的(共计14位宇航员遇难)。
1986年1月28日,挑战者号第10次飞行,起飞73秒后爆炸
挑战者号失事牺牲的7名乘组成员
2003年2月1日,哥伦比亚号第28次飞行,返回时解体
哥伦比亚号失事牺牲的7名乘组成员
除了航天飞机,另一种可以把人送上太空的飞行器就是宇宙飞船。
说起宇宙飞船,不论服役时间还是发射频率,都当属俄罗斯的联盟号为天下第一;在长期的发射实践中,联盟号也积累了大量经验,事实也证明了其可靠性和安全性。
联盟号宇宙飞船
联盟号系列飞船已执行过一百余次飞行任务,虽然也曾发生过两次、共计4位宇航员牺牲的事故,但整体的伤亡率低于航天飞机,其中一部分原因归功于它完善的“逃生系统”设计。
逃逸塔结构示意图
逃逸塔位于火箭最顶端,当火箭在地面或较低高度发生故障即将爆炸时,逃逸塔可以迅速点火升空,带着宇航员乘坐的返回舱逃离危险区域,随后打开降落伞返回地面。
逃逸塔工作流程示意图
阿波罗飞船的逃逸塔点火试验
在此阶段,这种逃生方式可称为“有塔逃逸”。
经典案例是1983年9月26日,联盟T-10-1飞船发射时,火箭在发射台爆炸,逃逸塔带着返回舱迅速飞至1.4km高空,逃离了现场。
联盟号飞船逃命瞬间
黄圈内即是整流罩内逃逸发动机喷管口
它的原理与逃逸塔类似,但逃逸塔只能在地面和较低高度使用。当飞船达到一定高度后,逃逸塔已被抛弃分离(在发射后120秒),此时整流罩内安装的四枚逃逸/分离发动机将为飞船提供第二次逃生机会。
整流罩内的逃逸/分离发动机安装示意图
在此阶段的逃生方式可称为“无塔逃逸”。
经典案例是2018年10月11日,联盟MS-10飞船起飞后约两分多钟时遭遇火箭发动机分离故障,此时已抵达50km高度,逃逸塔刚刚抛掉,整流罩内的逃生发动机及时启动,把返回舱拽离了故障火箭,两位宇航员安全返回地面。
美俄两位宇航员逃生后表示身体无恙、胃口很好
神舟飞船示意图,其中也有推进舱
推进舱原设计用于飞船在轨运行时的姿轨控,但在危急关头,推进舱也可为宇航员提供最后一次脱离故障火箭的机会。
神舟飞船“船箭分离”示意图,推进舱逃离与此类似
此阶段的逃生方式可称为“大气层外逃逸”。
经典案例是1975年4月5日“联盟18A”事故,飞船发射后295秒在150km高度,火箭出现发动机分离故障,飞船完全失控,陷入剧烈的摆动和旋转,此时推进舱及时点火,飞船与火箭紧急分离。
以上,就是联盟号飞船的保命三板斧。
中国在开展载人航天工程之最初,也对航天飞机和宇宙飞船这两大技术途径进行了论证,最终选用了与俄罗斯联盟号飞船相仿的技术途径,也必定是对这一套完善的逃生系统有充分考量。
Space-X公司的载人龙飞船以非常前卫的设计夺人眼球,比如高集成度的内部控制面板、不需要整流罩的流线型外形等,它的逃生系统设计也是堪称前卫!
飞船配置了8 台“超级天龙”(SuperDraco)发动机,其功能就是保证飞船在发射阶段任何时刻都可以进行逃逸(也可以用于返回时软着陆,但NASA考虑到安全原因,此次任务采用降落伞着陆)。
SuperDraco点火,飞船脱离火箭
逃逸系统点火试验
这8台SuperDraco发动机分4组安装在飞船外侧,两两一组、冗余设计,能够防止单台发动机失效引起的故障扩散;发动机携带的推进剂达 2.2吨。
SuperDraco
在点火指令发出后100ms内,SuperDraco 即可达到全推力,能够在不到 8s 内将飞船带至火箭 800m 以外的范围。
这种集成式发射逃逸方案,与联盟号飞船相比具备以下优势:
当然也有一些缺点,比如全程携带的燃料可能会带来安全隐患;液体发动机结构复杂,降低系统可靠性等;但这些缺点设计师也给予了充分考虑,比如增加了防爆壳、通过充分的地面试验提高可靠性等。
SuperDraco地面点火试验
所以,综上所述,从整体综合评价来看,龙飞船的逃生系统应该更胜一筹。
但这目前也只是“纸上谈兵”,龙飞船的逃生系统在未来实战表现究竟如何还尚未可知,让我们拭目以待。
龙飞船与联盟号对比图
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