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载人飞船逃生系统的变革

2024-10-22

当载人航天发射出现意外时,航天员会在逃逸系统的帮助下迅速避险,确保安全。那么,你知道航天历史上航天员用过哪些逃生方式吗?

五花八门的逃生方式

载人飞船系统虽然设计可靠性很高,但天有不测风云,航天发射随时都难免会有意外发生,如何在发生事故时确保航天员的安全,逃逸系统就成了必不可少的选择。

第一个进入太空的苏联航天员加加林,乘坐的是东方1号载人飞船,它使用弹射座椅来进行逃生。脱胎于普通飞机的弹射逃生设备,对于航天逃生并不合适。

弹射座椅只能在极小的高度和速度范围内使用,比如苏联暴风雪号航天飞机的弹射座椅,只能在3万米以下高度和3马赫以下速度进行弹射。很多人还怀疑,如果火箭发射时出现险情,尤其是出现爆炸事故,弹射座椅能不能把人弹到安全距离?总之弹射座椅并不能让航天员的安全得到保障,弹射座椅的局限性非常明显。

暴风雪号航天飞机弹射逃逸

美国虽然载人飞船发射较晚,但水星飞船却率先研制和使用了更科学的逃逸塔。逃逸塔也是迄今为止载人飞船的主流逃逸方式。逃逸塔的名字来自于它类似塔状的外形。水星飞船的逃逸塔是一个红色桁架塔状结构,塔顶部是带有3个倾斜喷管的固体火箭发动机。逃逸塔的长度是水星飞船的约两倍,之所以要做得这么长,是为了获得更长的力臂,这样就能用较小的侧向推力改变飞船逃逸后的姿态和飞行方向,将更多的推力用于飞行方向的加速,尽快远离发生故障的火箭。

逃逸塔简单有效,但技术挑战也不小。载人飞船动辄数以吨计,而火箭在飞行中是不断加速的,有的火箭加速峰值甚至可达5g,逃逸塔必须能在最糟糕的条件下和火箭分离,并及时逃离故障火箭的范围,避免火箭爆炸带来的危险,这就要求逃逸塔所携带的逃逸火箭推力巨大,不仅和火箭快速分离,还能及时远离故障火箭。

逃逸塔使用的固体火箭发动机要求具备高可靠性,大推力并反应迅速,研制难度要比一般的固体火箭发动机高得多。逃逸塔有效性已经得到了充分证明,它曾在多次航天发射事故中大显身手,是航天员当之无愧的保护神。

弹射座椅和逃逸塔都是航天员逃生的手段,但航天逃逸的方式不止于此。2018年10月11日,俄罗斯联盟MS-10飞船在发射后出现意外,助推器分离时,一枚助推器撞上了仍在工作的芯级火箭,导致火箭发射失败。联盟火箭出现故障前,逃逸塔已经分离抛弃,这时起作用的是飞船整流罩上的高空逃逸火箭。它推动飞船和故障火箭分离,并及时飞离危险区域,最终3位航天员都安全返回地面。美国几十年前的双子星座飞船,不仅使用弹射座椅应对低空逃逸,还使用充气翼伞进行高空逃逸,在火箭出现故障时飞船主发动机点火脱离,并使用翼伞滑翔着陆,这种组合既不安全也不可靠,好在双子星座飞船从未用到逃逸系统。

2018年联盟MS-10整流罩发动机逃逸

联盟火箭的逃逸塔

国家队青睐逃逸塔

载人飞船的应急逃生力求万无一失,它由多套系统协同工作,保障航天员的生命安全。

一旦火箭出现明显的故障,逃逸塔上的逃逸火箭就将点火工作,拖着飞船和故障火箭分离,并迅速飞远,避开危险区域。工程师们在火箭和飞船上安装了各种传感器,对火箭推力不足、发动机关机和姿态失控等各种意外情况进行探测,一旦发现危险的故障,逃逸系统就将自动启动。当然,为了万无一失,也有手动启动的备份。

逃逸塔发挥作用的范围要比弹射座椅更广,它既能在发射过程中大显身手,也能在地面发射准备阶段发挥作用。以联盟号飞船为例,1983年9月26日苏联准备发射联盟T-10飞船,当距离发射只有一分半钟火箭已经加满燃料时,联盟火箭的助推器发生泄漏,并很快燃起熊熊大火。面对既无法控制火势,也无法排空燃料的危险局面,地面控制人员及时手动启动逃逸塔,赶在火箭爆炸前6秒牵引载人飞船逃离发射台,两位航天员虽然在紧急逃逸过程中经受了14〜17g的大过载,却平安逃脱了必死的危局。

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载人飞船发射升空,直到发射后100〜120秒逃逸塔分离,逃逸塔都是航天员生命安全的保护者。一旦火箭飞行中出现危及航天员安全的意外故障,逃逸塔就会紧急启动,牵引飞船从运载火箭上分离,并偏航脱离危险区域。随后逃逸塔会与载人飞船分离,载人飞船自行完成后半段飞行直到降落着陆。早期的联盟飞船在逃逸塔分离后,整流罩分离前处于听天由命的状态,此时一旦发生事故无法逃逸。从1968年的联盟7K-S型号开始,整流罩上安装了4个额外的高空逃逸发动机,补上了这段时间的逃逸能力空白。联盟号火箭的整流罩分离后,一旦再出现问题就只能依靠飞船的主发动机分离和再入了,由于飞船发动机的推力很小,逃逸分离的加速也很慢,安全逃逸的概率自然大打折扣。不过一般来说,运载火箭发生事故几乎都是发射初期,以逃逸塔为核心的逃逸系统应对这样的情况够用了。

逃逸塔至今仍然是飞船逃逸的主流选择,不仅俄罗斯的联盟系列飞船,美国的水星载人飞船、阿波罗飞船,以及目前正在研制的深空载人猎户座飞船,都使用逃逸塔承担发射应急逃生的使命。

水星飞船的逃逸塔

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