為航天員護(hù)航——載人火箭故檢逃逸系統(tǒng)

世界主流載人火箭在外形上大多都有個(gè)共同的特征：火箭“頭頂”上都頂著一個(gè)尖尖的裝置，叫做“逃逸塔”，也就是火箭的逃逸系統(tǒng)；與之一起發(fā)揮關(guān)鍵作用的是外形上看不到的故障檢測(cè)處理系統(tǒng)，這是載人火箭所獨(dú)有的系統(tǒng)。載人火箭在發(fā)射臺(tái)等待發(fā)射到飛行的過(guò)程中，故檢逃逸系統(tǒng)配合工作，故障檢測(cè)處理系統(tǒng)一旦檢測(cè)到火箭出現(xiàn)情況、有可能危及到航天員的安全，就會(huì)給逃逸系統(tǒng)發(fā)出逃逸指令，逃逸系統(tǒng)就會(huì)迅速將航天員帶離危險(xiǎn)并安全返回地面。

盤(pán)點(diǎn)美俄載人火箭逃逸塔

聯(lián)盟號(hào)系列運(yùn)載火箭是蘇聯(lián)在東方號(hào)運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，是俄羅斯目前唯一的載人運(yùn)載火箭。聯(lián)盟火箭很顯著的特征就是頂部的逃逸塔，也多次讓航天員死里逃生，對(duì)此后文會(huì)有詳細(xì)介紹。

圖1 聯(lián)盟FG運(yùn)載火箭

更早一些的N-1運(yùn)載火箭，是蘇聯(lián)針對(duì)載人登月計(jì)劃專門(mén)研制的火箭。出于當(dāng)年美蘇爭(zhēng)霸的政治需要，N-1火箭研制過(guò)程較短、論證不充分，1969-1972年連續(xù)4次飛行均告失敗，1974年項(xiàng)目最終不得不下馬。雖然該火箭沒(méi)有實(shí)際載人飛行過(guò)，但位于火箭頂部的逃逸塔清晰可見(jiàn)。

圖2 N-1運(yùn)載火箭

與之對(duì)應(yīng)的是，美國(guó)宇宙神-D運(yùn)載火箭是在宇宙神D導(dǎo)彈基礎(chǔ)上改裝而成，也是出于當(dāng)時(shí)美蘇爭(zhēng)霸需要，為了盡快實(shí)現(xiàn)載人飛行任務(wù)而研制的。宇宙神-D在1959年成功完成了美國(guó)第一艘水星飛船的亞軌道試驗(yàn)，1962年發(fā)射了美國(guó)第一艘載人飛船，共飛行18次，6次失敗。雖然美國(guó)逃逸塔外形與俄羅斯稍有差別，采用無(wú)飛船整流罩的逃逸塔方案，但其特征還是非常明顯的。

圖3 宇宙神―D運(yùn)載火箭

“土星”系列運(yùn)載火箭是美國(guó)航天局（NASA）專為登月任務(wù)而研制的火箭，包括土星-I、IB和V三種。其中土星-I為研究試驗(yàn)型火箭，用于“阿波羅”計(jì)劃早期地球軌道飛行試驗(yàn)和發(fā)射探測(cè)衛(wèi)星；土星-IB為改進(jìn)過(guò)渡型，用于不載人、或載人“阿波羅”飛船地球軌道飛行試驗(yàn)；土星-V專為實(shí)現(xiàn)“阿波羅”飛船載人登月而研制，可以一次將3名航天員送入月球軌道。1969年7月21日，阿波羅11號(hào)登月飛船成功地在月球上軟著陸，航天員阿姆斯特朗和奧爾德林踏上月球，人類載人航天和空間探索取得了重大突破。土星系列火箭仍然保留了逃逸救生系統(tǒng)，位于頂端的逃逸塔非常明顯。

圖4 土星―V運(yùn)載火箭

雖然蘇聯(lián)和美國(guó)研制的航天飛機(jī)也是載人運(yùn)載火箭，但由于沒(méi)有配套的逃逸救生系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐后退出了歷史舞臺(tái)。能源號(hào)運(yùn)載火箭是蘇聯(lián)為發(fā)射第一個(gè)重復(fù)使用運(yùn)載器——暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)而專門(mén)研制的火箭，按照分別捆綁2、4、6個(gè)助推器形成暴風(fēng)雨號(hào)、能源號(hào)、火神號(hào)系列運(yùn)載火箭，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力的梯度優(yōu)化。除能源號(hào)火箭成功飛行兩次外，其余兩種火箭均未飛行。

與此相對(duì)應(yīng)，美國(guó)共研制了挑戰(zhàn)者號(hào)、哥倫比亞號(hào)、發(fā)現(xiàn)號(hào)、奮進(jìn)號(hào)和亞特蘭蒂斯號(hào)等5架航天飛機(jī)，自1981年4月12日哥倫比亞號(hào)從佛羅里達(dá)州NASA肯尼迪航天中心首次發(fā)射開(kāi)始，至2011年7月21日最后一次航天飛機(jī)任務(wù)——亞特蘭蒂斯號(hào)在肯尼迪航天中心的主港著陸，共執(zhí)行135次飛行任務(wù)，其中挑戰(zhàn)者號(hào)和哥倫比亞號(hào)分別在上升段和再入段發(fā)生事故導(dǎo)致飛行失利，并且造成2次共14名航天員遇難犧牲。

圖5 發(fā)射起飛的亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)

一次成功的失敗

北京時(shí)間2018年10月11日16時(shí)40分，俄羅斯聯(lián)盟MS-10載人飛船在哈薩克斯坦所屬的拜科努爾發(fā)射場(chǎng)，由聯(lián)盟-FG運(yùn)載火箭發(fā)射升空。此前聯(lián)盟-FG運(yùn)載火箭擁有無(wú)重大傷亡事故的發(fā)射記錄，被認(rèn)為是俄羅斯最可靠的載人火箭，這次發(fā)射也僅僅被認(rèn)為是一次例行公事。但是發(fā)射時(shí)突發(fā)故障，任務(wù)失敗，原計(jì)劃前往國(guó)際空間站的兩名航天員平安返回地面。這是自2003年哥倫比亞航天飛機(jī)失事以來(lái)，世界上又一次嚴(yán)重的、可能危及航天員生命的發(fā)射事故，因此，許多人對(duì)載人航天的安全性感到憂慮。

聯(lián)盟號(hào)火箭系列是世界上歷史最久、發(fā)射次數(shù)最多的多用途運(yùn)載火箭。蘇聯(lián)首先設(shè)計(jì)了東方號(hào)運(yùn)載火箭，后續(xù)又發(fā)展出了聯(lián)盟號(hào)火箭；到現(xiàn)在為止，已經(jīng)有了包括上升號(hào)、閃電號(hào)、聯(lián)盟號(hào)、聯(lián)盟U、聯(lián)盟號(hào)U/伊卡爾、聯(lián)盟號(hào)U/弗雷蓋特、聯(lián)盟號(hào)FG、聯(lián)盟號(hào)2等10余個(gè)型號(hào)。

圖6 早期的聯(lián)盟號(hào)火箭系列

聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭起源于“東方號(hào)”火箭，它的第一種型號(hào)－－“上升號(hào)”自1963年首次發(fā)射到1976年，共成功發(fā)射了297次，失敗13次。最先以“聯(lián)盟”號(hào)為名發(fā)射的型號(hào)始于1966年，到1976年共發(fā)射了39次，其中失敗2次。到2002年止，所有不同型號(hào)累加起來(lái)，聯(lián)盟號(hào)系列火箭共發(fā)射了1041次，失敗35次，成功率達(dá)96.75%。在1980年代初期，聯(lián)盟號(hào)火箭的發(fā)射達(dá)到了最高峰，每年發(fā)射次數(shù)高達(dá)60次，成為當(dāng)時(shí)世界上使用最頻繁的火箭。

與一般的火箭級(jí)數(shù)定義稍有不同，聯(lián)盟系列運(yùn)載火箭把四臺(tái)捆綁式助推器作為“第一級(jí)”，將與助推器一起點(diǎn)火的芯級(jí)稱為“第二級(jí)”，將“第二級(jí)”脫落后點(diǎn)火送飛船入軌的稱為“第三級(jí)”，聯(lián)盟號(hào)的“第二級(jí)”和“第三級(jí)”對(duì)應(yīng)一般定義中的第一級(jí)（芯一級(jí)）與第二級(jí)。其中，聯(lián)盟號(hào)U和聯(lián)盟號(hào)FG火箭的結(jié)構(gòu)相同，全部采用液氧、煤油推進(jìn)劑，主要用于發(fā)射載人/不載人貨運(yùn)飛船或軍用照相偵察衛(wèi)星，曾發(fā)射過(guò)上升號(hào)載人飛船、聯(lián)盟號(hào)載人飛船、進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船以及第2代宇宙號(hào)照相偵察衛(wèi)星。在二級(jí)型火箭聯(lián)盟號(hào)U/FG的基礎(chǔ)上還可增加上面級(jí)，用于商業(yè)高軌道發(fā)射。

圖7 聯(lián)盟-FG運(yùn)載火箭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

聯(lián)盟號(hào)飛船是蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的一款載人飛船，由第一特殊設(shè)計(jì)局（即科羅廖夫設(shè)計(jì)局，現(xiàn)隸屬于科羅廖夫能源火箭航天集團(tuán)）研制，采用一次性設(shè)計(jì)，可通過(guò)聯(lián)盟號(hào)或質(zhì)子號(hào)運(yùn)載火箭進(jìn)行發(fā)射。

該系列飛船自1960年代首飛以來(lái)，目前仍在使用之中。聯(lián)盟號(hào)飛船是蘇聯(lián)繼東方號(hào)飛船和上升號(hào)飛船之后，自行研制的第三款載人飛船，是目前世界上服役時(shí)間最長(zhǎng)、發(fā)射頻率最高，同時(shí)也是可靠性最好的載人飛船，其原設(shè)計(jì)目的是作為蘇聯(lián)載人登月計(jì)劃中的地月往返工具。然而，由于蘇聯(lián)后來(lái)取消了登月計(jì)劃，聯(lián)盟號(hào)飛船的活動(dòng)范圍就此被限制于地球軌道。1991年蘇聯(lián)解體后，這款飛船的制造與發(fā)射轉(zhuǎn)由俄羅斯聯(lián)邦航天局掌握，任務(wù)也轉(zhuǎn)變成主要負(fù)責(zé)對(duì)和平號(hào)空間站與國(guó)際空間站的人員運(yùn)輸、物資補(bǔ)給。2011年隸屬美國(guó)國(guó)家航空航天局的航天飛機(jī)全線退役后，聯(lián)盟號(hào)飛船就成為了剩下的唯一運(yùn)輸工具，能夠讓航天員往返于地面和國(guó)際空間站；直到2020年，才有SpaceX發(fā)射的載人“龍”飛船與國(guó)際空間站完成對(duì)接。

聯(lián)盟號(hào)飛船的改進(jìn)型號(hào)眾多，其衍生出的其它航天器包括：探測(cè)器號(hào)、聯(lián)盟號(hào)T、聯(lián)盟號(hào)TM、聯(lián)盟號(hào)TMA、聯(lián)盟號(hào)MS及進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船等。

故檢逃逸系統(tǒng)立功

雖然2018年聯(lián)盟號(hào)的這次發(fā)射任務(wù)失敗，但兩名航天員死里逃生，讓聯(lián)盟號(hào)火箭得以繼續(xù)保持從未出現(xiàn)導(dǎo)致人員直接死亡事故的安全記錄（當(dāng)然，有部分航天員是在完成任務(wù)很久之后逝世的）。連同本次在內(nèi)，它一共出現(xiàn)過(guò)3次嚴(yán)重的發(fā)射事故，另外兩次分別發(fā)生于1975年和1983年，但所有的航天員均幸免于難。這得益于火箭內(nèi)一系列精心設(shè)計(jì)的保護(hù)措施，包括緊急逃逸塔以及在本次事故中起到重要作用的自動(dòng)分離和重返序列等。故檢逃逸系統(tǒng)在發(fā)射全過(guò)程中都處于工作狀態(tài)。

而被譽(yù)為神箭的中國(guó)載人火箭長(zhǎng)征二號(hào)F型運(yùn)載火箭，也是歷次安全成功將航天員送入太空，同樣有著故檢逃逸系統(tǒng)全程保護(hù)航天員的安全。

運(yùn)載火箭上為航天員逃逸而專門(mén)研制的系統(tǒng)有故障檢測(cè)處理系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)。參與航天員逃逸的系統(tǒng)有控制系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)和外測(cè)安全系統(tǒng)。故障檢測(cè)處理系統(tǒng)有兩個(gè)主要任務(wù)，一是檢測(cè)火箭的重要參數(shù)，判斷火箭故障，出現(xiàn)故障時(shí)向有關(guān)系統(tǒng)發(fā)出逃逸指令和終止飛行指令，由箭上的故障檢測(cè)處理飛行軟件負(fù)責(zé)實(shí)施這兩項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)；二是逃逸時(shí)完成逃逸飛行器的時(shí)序控制和火工品配電，由箭上的逃逸程序控制軟件負(fù)責(zé)逃逸時(shí)逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火及相關(guān)裝置動(dòng)作控制。逃逸系統(tǒng)的任務(wù)是當(dāng)運(yùn)載火箭拋整流罩前發(fā)生重大危險(xiǎn),威脅到航天員的生命安全時(shí),負(fù)責(zé)使航天員脫離危險(xiǎn)區(qū)，并為航天員的返回著陸提供必要的條件。

圖8 CZ-2F火箭逃逸系統(tǒng)

逃逸系統(tǒng)的構(gòu)成非常復(fù)雜，由五種固體發(fā)動(dòng)機(jī)、整流罩的上半部分、支撐機(jī)構(gòu)、柵格翼及其釋放機(jī)構(gòu)以及滅火裝置等組成，它必須與其它正常飛行時(shí)所使用的系統(tǒng)協(xié)同工作才能完成逃逸任務(wù)。五種發(fā)動(dòng)機(jī)分別是逃逸主發(fā)動(dòng)機(jī)、分離發(fā)動(dòng)機(jī)、偏航俯仰發(fā)動(dòng)機(jī)、高空逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)和高空分離發(fā)動(dòng)機(jī)。前三種負(fù)責(zé)39千米高度以下、也就是火箭從點(diǎn)火到飛行120秒時(shí)的逃逸工作，后兩種在39至110千米高度內(nèi)，即火箭飛到120秒至200秒時(shí)發(fā)揮作用。

逃逸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由上半部整流罩、柵格翼及其釋放機(jī)構(gòu)、上下支撐機(jī)構(gòu)等組成。上下支撐機(jī)構(gòu)的主要功能是：一旦火箭出現(xiàn)應(yīng)急故障需要逃逸救生時(shí)，上下支撐機(jī)構(gòu)上的火工作動(dòng)筒接到發(fā)火信號(hào)點(diǎn)火動(dòng)作后,迅速將機(jī)構(gòu)與飛船的可移動(dòng)支點(diǎn)鎖死，以實(shí)現(xiàn)逃逸系統(tǒng)外殼體與飛船返回艙及軌道艙間的剛性連接，這種剛性連接是實(shí)現(xiàn)逃逸救生的必要保證條件。而在正常飛行條件下，上下支撐機(jī)構(gòu)與飛船是彈性支撐，即飛船與逃逸系統(tǒng)外殼體間可以有允許的間隙做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

逃逸飛行器是一個(gè)無(wú)控飛行器，根據(jù)逃逸飛行器氣動(dòng)特性設(shè)計(jì)，為了保證飛行器在整個(gè)逃逸飛行過(guò)程中保持穩(wěn)定姿態(tài)，在逃逸飛行器底部四周需要設(shè)置4塊穩(wěn)定柵格翼。該柵格翼在火箭正常飛行狀態(tài)下收靠在整流罩周圍，一旦逃逸，4塊柵格翼與整流罩的連接爆炸螺栓起爆解鎖，柵格翼在彈簧推桿、氣動(dòng)力及過(guò)載慣性力的作用下迅速展開(kāi)。為防止柵格翼展開(kāi)時(shí)對(duì)整流罩沖擊過(guò)大，同時(shí)又要將柵格翼展開(kāi)后鎖定在某一位置，每塊柵格翼兩側(cè)安裝有兩個(gè)液壓阻尼器，以實(shí)現(xiàn)阻尼和鎖定雙重功能。在保證柵格翼展開(kāi)時(shí)間要求的同時(shí)，盡可能減少對(duì)整流罩的沖擊。

逃逸系統(tǒng)共配備了5種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)共12臺(tái),其中逃逸主發(fā)動(dòng)機(jī)1臺(tái)，分離發(fā)動(dòng)機(jī)1臺(tái)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)4臺(tái)，高空逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)4臺(tái)，高空分離發(fā)動(dòng)機(jī)2臺(tái)。除高空分離發(fā)動(dòng)機(jī)為選用產(chǎn)品外，其他幾種發(fā)動(dòng)機(jī)均專門(mén)為逃逸系統(tǒng)研制。逃逸主發(fā)動(dòng)機(jī)、分離發(fā)動(dòng)機(jī)、控制發(fā)動(dòng)機(jī)和尾裙、配重段一起組成逃逸塔,為120秒前的逃逸提供動(dòng)力。高空逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)、高空分離發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在飛船整流罩上，完成從逃逸塔分離后到拋罩期間的應(yīng)急逃逸任務(wù)。逃逸系統(tǒng)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)決定了這些發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn),即：快速啟動(dòng)、推力大、工作時(shí)間短和高可靠性、安全性。

在逃逸系統(tǒng)的工作范圍(起飛至整流罩分離)內(nèi)，逃逸模式分為兩種，即有塔逃逸模式(模式Ⅰ)和無(wú)塔逃逸模式(模式Ⅱ)。模式Ⅰ適用于火箭發(fā)射前30分鐘～起飛后120秒，模式Ⅱ適用于火箭起飛后120秒～整流罩分離。在逃逸模式Ⅰ中，考慮到發(fā)射人員及地面設(shè)施的安全性，火箭飛行60秒前逃逸時(shí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不關(guān)機(jī)，60秒后逃逸時(shí)將終止故障火箭繼續(xù)飛行。而逃逸模式Ⅱ則適用于逃逸塔分離至整流罩分離期間火箭出現(xiàn)重大故障時(shí)。在實(shí)際的飛行過(guò)程中，返回艙和逃逸飛行器可能存在兩種分離模式，有逃逸塔分離的動(dòng)力來(lái)源于逃逸塔上的分離發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)逃逸塔分離的動(dòng)力來(lái)源于整流罩上的高空分離發(fā)動(dòng)機(jī)。

回顧載人火箭逃逸事件，故檢逃逸系統(tǒng)確實(shí)立了大功。2018年這次俄羅斯聯(lián)盟號(hào)火箭出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，正是在逃逸塔已經(jīng)分離之后發(fā)生的，火箭故檢系統(tǒng)檢測(cè)到火箭發(fā)射重大故障后，火箭啟動(dòng)無(wú)逃逸塔的高空逃逸模式，飛船與火箭分離后使用降落傘返回地面。同樣，1983年9月26日，當(dāng)時(shí)一艘蘇聯(lián)“聯(lián)盟T-10-1”飛船在準(zhǔn)備發(fā)射升空時(shí)，火箭突然起火燃燒。情況萬(wàn)分緊急，就在滿載燃料的火箭即將爆炸之前幾秒鐘，逃逸系統(tǒng)啟動(dòng)，逃逸塔將載人飛船帶離危險(xiǎn)區(qū)域并降落到安全地帶，拯救了航天員的生命。1975年4月5日，蘇聯(lián)發(fā)射聯(lián)盟-18飛船，準(zhǔn)備與當(dāng)時(shí)的禮炮號(hào)空間站對(duì)接，在近150公里的高空，火箭二級(jí)與三級(jí)分離不成功，偏離預(yù)定軌道，之后實(shí)施了逃逸程序，采用軌跡很陡峭的彈道式下降方式成功返回地球。

航天曲折前進(jìn)路

在讓人振奮的航天發(fā)射場(chǎng)面背后，其實(shí)有一條曲折的道路。世界航天發(fā)展并不是一帆風(fēng)順的，人類為探索太空付出了沉重的代價(jià)。

蘇聯(lián)：小數(shù)點(diǎn)的代價(jià)

蘇聯(lián)是第一個(gè)將航天員送入太空的國(guó)家，但曾因小數(shù)點(diǎn)的問(wèn)題付出過(guò)血的代價(jià)。

圖9 第一艘載人的聯(lián)盟號(hào)飛船

1967年4月23日，蘇聯(lián)第一艘載人的“聯(lián)盟”號(hào)飛船順利發(fā)射，但飛船返回時(shí)高速撞向地面，航天員科馬洛夫喪生。為什么會(huì)這樣？原來(lái)，人們?cè)诘孛鏅z查的時(shí)候忽略了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致飛船在進(jìn)入飛行軌道后出現(xiàn)了一系列故障——右側(cè)太陽(yáng)能電池帆板展不開(kāi)，無(wú)線電短波發(fā)射器無(wú)法使用，飛船失控。當(dāng)飛船返回到比珠穆朗瑪峰略低一些的高度時(shí)，降落傘主傘、備用傘纏繞在一起無(wú)法打開(kāi)，最終導(dǎo)致飛船以每秒百米的速度墜毀，航天員科馬洛夫壯烈犧牲。

美國(guó)：一個(gè)泡沫碎塊導(dǎo)致的爆炸

2003年2月1日，美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)重返大氣層時(shí)與地面失去聯(lián)系，不久后被發(fā)現(xiàn)在天空中爆炸解體，機(jī)上七名航天員全部遇難。

事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于航天飛機(jī)老化嚴(yán)重，發(fā)射時(shí)燃料箱外脫落的一個(gè)泡沫碎塊，將航天飛機(jī)隔熱瓦撞出了裂縫。雖然有航天工程師提出警告，但未受到重視。正是這個(gè)裂縫，導(dǎo)致在航天飛機(jī)返航時(shí)，超高溫空氣進(jìn)入隔熱瓦下部四處亂竄，最終造成航天飛機(jī)在返航途中解體墜毀。

圖10 即將發(fā)射的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)

探索太空雖然代價(jià)沉重，但人類從來(lái)沒(méi)有停止腳步?！奥?lián)盟”號(hào)飛船積累了幾十年的經(jīng)驗(yàn)，已成為最成熟的載人航天器，是目前除了中國(guó)神舟飛船外，唯一可以穩(wěn)定作為天地往返交通工具的載人飛船；同樣，美國(guó)在“哥倫比亞”號(hào)失事后提出了30項(xiàng)改進(jìn)建議，包括航天員培訓(xùn)、飛行操作、航天器設(shè)計(jì)改進(jìn)等，讓后續(xù)的航天事業(yè)走得更穩(wěn)，更安全。

作者：志愿者 張麗

在我們航天探索的過(guò)程中，一直秉承著“載人航天，人命關(guān)天”的要求，把安全永遠(yuǎn)放在第一位，這樣我們才能站得更高，離天空更近。

責(zé)任編輯 盧瑜

作者： 錢(qián)航 馬利

來(lái)源：天文愛(ài)好者雜志

2021 · 《天文愛(ài)好者雜志》7月刊~