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聊聊载人航天发射都怎么逃生?

俄罗斯今年的航天发射数量,被中美两国远远甩在身后,但10月11日,俄罗斯航天却以另一种方式几乎独霸全球头条:联盟MS-10载人飞船发射失败了!

发射本次MS-10飞船任务的联盟-FG火箭

幸运的是虽然联盟火箭出了大问题,但载人飞船安全逃逸,飞船内的两名宇航员(一名美国人,一名俄罗斯人)迅速被救回。

载人航天发射向来力求万无一失,这其中逃逸系统至关重要,并且这正是俄罗斯联盟号飞船的看家本领。本次事故究竟是如何发生的?人类载人航天史上发生过多少次逃逸事件?载人航天发射有几种应急救生(逃逸)方式?本文中,我们逐一来聊聊。

惊心动魄的紧急逃逸

让我们先来回顾一下本次事件。

北京时间10月11日下午4时40分15秒,俄罗斯制造的联盟-FG火箭从拜科努尔发射升空,将联盟MS-10飞船送往国际空间站,值得一提的是,这次发射不仅是今年发射的第三艘联盟号载人飞船,还要进行快速交会对接,计划在发射后6小时即抵达国际空间站。不过快速对接的噱头和发射失败带来的惊险相比,那就小巫见大巫了。

火箭升空后1分54秒(114秒),火箭闯过了最大动压区,联盟-FG载人火箭顶端的逃逸塔被抛弃,接下来又过了4秒,火箭的4枚助推器开始分离,四个助推器同时分离在空中形成漂亮的十字形,这就是联盟号系列火箭经典的科罗廖夫十字,然而这次发射恰恰是助推器出了大问题,4枚助推器有一枚没有正常分离,随后反而撞上了火箭芯级!联盟火箭还真是可靠性高,这一撞也没爆炸,但火箭芯级发动机随后关机,发射中止启动应急逃生程序,此时升空才2分03秒(123秒),而且火箭高度只有约50公里,可谓是上不着天下不着地,怎么办?

联盟-FG火箭助推器分离,科罗廖夫十字却缺了一角

飞得好好的火箭突然关机熄火,宇航员和地面人员都是胆战心惊:火箭是否会爆炸?飞船能否及时与故障火箭分离?如果两个答案都是坏的结果,那么后果将不堪设想。

幸运的是,虽然火箭逃逸塔已被抛弃,但应急救生系统启动后,升空后第123秒的联盟号飞船还是顺利紧急分离成功,这让大家松了一口气。

飞船发射升空后2分40秒后,返回舱和飞船的其他部分分离,进入抛物线弹道飞行。联盟号和神舟号飞船从太空返回,返回舱攻角适当时升阻比大于0.1,属于有升力的半弹道式飞行,通过滚动控制改变升力方向控制轨道,可以降低返回过载减小落点散布,但这次紧急逃生哪里顾得上飞船姿态,自然成了纯弹道式再入,据说过载达到了6.7g之多,虽然远远低于联盟飞船前两次应急逃生时出现的14g-17g的高过载,但是地面不知道飞船过载如何,担心宇航员在高过载下受重伤,更担心落地后出现险情,俄罗斯人赶紧调动搜索救援队。飞船返回舱在低空打开降落伞,最终飘落在哈萨克斯坦杰兹卡兹甘市以东20公里的地方,救援人员很快联系上宇航员并迅速赶到,这时惊心动魄的一幕才算化险为夷。目前,两位宇航员已经被接回,从照片上看身体状态还不错,并没有明显的受伤迹象。

俄国宇航员阿列克赛·奥夫奇与美国宇航员尼克·黑格获救后和俄国家航天集团公司总经理罗戈津(中)合影

逃逸系统屡立战功

本次两名宇航员平安返回,有惊无险,发挥最关键作用的就是联盟号火箭的应急救生系统(SAS)。应急救生系统最为人熟知的部分是火箭顶端的逃逸塔,也被形象的称为逃逸系统。联盟号飞船的逃逸系统再立新功,又一次保住了宇航员们宝贵的生命。

联盟火箭顶部像避雷针似的就是逃逸塔

上得山多终遇虎,联盟号火箭虽然发射成功率相当出色,但也难以避免出现失败。联盟号飞船历史上有两次应急逃逸经历,一次是1975年4月5日的联盟18a发射,火箭发射后288秒已经到达145公里的高空,但一二级分离失败,二级发动机点火随后“喷”开第一级,但火箭已经偏离原有轨道,发射后第295秒制导系统发现了这个问题,自动激活中止程序随后飞船分离逃逸,这时逃逸塔和整流罩都已经分离,高空逃逸靠的是联盟号飞船自己的发动机。飞船高速弹道式逃逸再入大气层,当时的两位宇航员可就没有这次的宇航员幸运了,他们被折腾得够呛,分析认为该次过载达到了15个g,甚至事后宇航员回忆称,再入时的过载峰值恐怕有21.3个g,能活下来真是不容易,再次致敬这些宇航探索的英雄们!平安返回后,其中一名宇航员瓦西里·拉扎雷夫再也没有上过太空,恐怕是身体在那次事故中遭受了不小的影响。话虽如此,总算是活着回到地球,联盟号飞船的逃生能力表现得可圈可点。

以上描述的联盟18a飞船逃生的事故原因,和今年的联盟MS-10事故情况截然不同,不过要说1983年9月27日的联盟T10a事故,倒有些相似,都是由助推器引起,但情况更为惊险。联盟T10a飞船发射前90秒,火箭助推器增压氮气管路的一个阀门失效,发动机涡轮泵空转过载然后煤油泄露了,结果引发了火灾!飞船内的宇航员感觉到了振动,但隔着整流罩他们看不到外面发生了什么,不过他们知道了也只能干着急,宇航员无法手动启动应急救生系统逃逸,更糟糕的是,地面控制室也遇到了问题,他们发出了激活逃逸系统的指令,但控制电缆被发射台上的大火烧得失效了!幸亏备用的无线电指令还能用,几秒之后逃逸塔拉着飞船升空,飞船逃逸后只过了几秒,燃烧中的联盟号火箭就爆炸了!逃逸过程中,两位宇航员承受了17个g的过载,而且时间长达约5秒,所幸未危及他们的生命,最终飞船返回舱安全落在距离发射台4公里外,这可是货真价实的死里逃生,要比本次联盟MS-10的逃生惊险得多,也是人类航天史上,逃逸塔在实际载人发射任务中的唯一一次应用。

1983年9月27日联盟T10a飞船紧急逃逸,远处旁观的军官们肯定出了一身冷汗!

五花八门的逃逸系统

载人航天是一个国家科技水平和软实力的象征,美国总统肯尼迪就曾表示:“到达月球的是人而不是仪器,才能激发世界的热情和梦想”。反过来说,如果不幸出现船毁人亡的事故,对国家形象、航天科技的发展及国民的信心来说,打击都是沉重的。为了提高宇航员的安全性,各国载人航天系统都准备了应急救生的预案。

俄罗斯联盟号飞船一开始就设计了应急救生系统,随着需求的完善发展出多种型号,早期联盟号火箭的应急救生主要依靠逃逸塔,它用于发射前20分钟到发射后100多秒内的应急救生逃逸,一旦出现危及宇航员安全的紧急情况,逃逸塔上的固体大推力发动机就会点火带动飞船分离。然而早期的应急救生系统有个不小的隐患,如果故障发生在整流罩打开后,飞船可以依靠自己的主发动机分离逃生,但事实上,逃逸塔分离后还需要一段时间整流罩才分离,这期间要是出现异常,比如这次联盟MS-10飞船的情况,那么宇航员只能听天由命了。

为了堵上这个救生空白区,联盟7K-S飞船使用了改进的应急救生系统,它不仅逃逸分离发动机推力更大,还在整流罩上额外安装了4台分离发动机,这样逃逸塔抛弃后到整流罩分离前这一小段时间的安全也有了保证,虽然这要付出增重的代价,但生命比什么都重要,只要火箭运力足够,这绝对是值得的。联盟号火箭应急救生系统的这一冗余设计也被我国的CZ-2F火箭继承,我国神箭的应急救生系统同样包括逃逸塔和整流罩上的分离发动机。至于整流罩分离之后,就要靠飞船的主发动机工作分离逃逸了。

整流罩上的分离发动机

那么航天超级大国美国的应急救生系统如何呢?美国发射水星飞船的水星-宇宙神火箭和发射阿波罗飞船的土星五号也都使用了逃逸塔,水星计划中还出现了人类第一次应急救生逃逸:1961年4月25日水星-宇宙神3任务中,美国打算用宇宙神火箭将水星飞船送入轨道,但升空后不过20秒火箭就失去控制,地面官员忍痛在起飞后42秒发出火箭自毁指令,同时逃逸塔拉着飞船分离,飞船最高达到7200米高的顶点后下坠落入大西洋。当然这次任务舱内只有个模拟假人,没有那么惊险。应急救生系统也有主动“闯祸”的时候,1966年苏联联盟号飞船的第二次无人飞行试验中,联盟号火箭自动中止发射后,应急救生系统固体发动机突然点火,结果引发全箭在发射台上爆炸!

美国航天在应急救生系统设计方面,有一些“另类”,美国的水星和阿波罗飞船之间,还有双子星飞船,发射双子星飞船的火箭居然没有逃逸塔,这可怎么逃生呢?美国人的办法是弹射座椅,但考虑火箭的速度和加速等影响,双子星飞船弹射座椅实际上只能在5公里以下高度用,而无法提供整个发射段的应急救生。

双子星飞船的弹射座椅试验。弹射座椅对火箭影响小,但使用高度低只是权宜之计

幸好双子星飞船没有出现发射事故。不要以为这个荒谬的脑洞“下不为例”了,诞生于80年代的航天飞机上居然也没有逃逸系统!航天飞机最早拥有逃逸火箭ASRM,但航天飞机研制中受到超重的困扰,后续改进中居然删掉了!

航天飞机早期装有紧急逃逸固体火箭发动机(ASRM),但为了减重却删掉了,挑战者号航天飞机的悲剧本可避免!

NASA乐观的表示航天飞机固体助推器极为可靠,即使发射出现问题也可以将航天飞机推到足够的高度脱险,也就不需要什么整体逃逸救生的设备了。当然,我们都知道真正的原因是减掉ASRM让轨道器减重3吨多,整架航天飞机更是减重44吨。

航天飞机早期试飞的4次飞行装有弹射座椅,但从第5次也就是正式运行开始就不能用了

哥伦比亚号的第一次飞行装有弹射座椅,但只能在不高于2万4千米高度和4马赫速度下使用,虽然比双子星的弹射座椅大有提高,但也只覆盖了航天飞机动力飞行段时间的约1/5,接下来正式飞行后弹射座椅就被废弃了,NASA还真是对自己信心百倍!

然而,1986年挑战者号航天飞机在发射后的第73秒由于固体助推器发生故障,最终导致航天飞机空中解体,机上7名宇航员全部罹难。悲剧狠狠打了NASA的脸,事后调查发现,航天飞机解体后至少有部分宇航员还活着,他们是落到海面上被活生生摔死的,如果航天飞机设计没有删除逃逸火箭,宇航员们将有很大几率能活下来!

航天飞机弹射座椅的开舱口仍然在,但弹射座椅正式飞行任务中已经弃用,第22次飞行开始干脆换成了工作座椅。

挑战者号事故后,增强逃生能力的呼声又一次高涨,NASA虽然进行了很多软硬件修改提高安全性,但增加逃逸火箭改动太大还是被放弃了,美国航天飞机居然就这么继续对付了17年。然而2003年,悲剧再次发生,哥伦比亚号航天飞机返航再入大气层时发生事故解体了,7名宇航员牺牲,数以百万计的观众在电视直播中目睹了这惨烈的一幕……这下美国人终于认识到航天飞机安全性无可救药,于是重回载人飞船路线,航天飞机2011年全部退役,新一代载人飞船都使用了应急救生逃逸系统。

美国人对创新的追求似乎拥有不可理解的执念,就算航天飞机的应急救生系统设计缺陷导致了两次机毁人亡的惨剧,美国航天仍不甘心“走回头路”。新一代载人飞船中,只有NASA的猎户座飞船使用了传统的逃逸塔设计,算是唯一的保守派。商业载人飞船包括波音公司研制的CST-100和SpaceX公司研制的载人龙,都将使用更新颖的推式逃逸系统。

传统的逃逸塔在飞船上方,紧急情况下拉着飞船逃逸脱离,而推式逃逸系统的发动机在飞船上,一旦遇到紧急情况,将推着飞船快速脱离火箭。那么整流罩怎么处理呢?这两种新飞船干脆没有整流罩,可以说把应急救生逃逸系统精简到极点。这样的推式逃逸设计没有逃逸塔和整流罩的额外重量,也避免了逃逸塔分离和整流罩分离这些步骤带来的可靠性问题,同时保留了优秀的应急救生逃逸能力,做到了减重和救生兼得。推式逃逸设计系统理论上具有更高的可靠性,但究竟实际效果如何,恐怕还只能等未来实际发射的检验。

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