[科普中國]-逃逸救生試驗(yàn)

簡(jiǎn)介

運(yùn)載火箭的故障檢測(cè)處理系統(tǒng)在火箭飛行過程中一直檢測(cè)運(yùn)載火箭的飛行狀態(tài)，對(duì)運(yùn)載火箭是否出現(xiàn)需要逃逸的故障進(jìn)行判斷，并在確認(rèn)火箭故障后自動(dòng)發(fā)出逃逸信號(hào)。故障檢測(cè)處理系統(tǒng)還可以接收手動(dòng)逃逸信號(hào)(由航天員或地面故障診斷系統(tǒng)發(fā)出)。逃逸系統(tǒng)一旦收到自動(dòng)逃逸信號(hào)或手動(dòng)逃逸信號(hào)，立即實(shí)施應(yīng)急逃逸，將航天員帶離危險(xiǎn)區(qū)，并為航天員的返回著陸提供必要的條件。

逃逸救生試驗(yàn)的關(guān)鍵突破點(diǎn)：

1、必須保障宇航員安全逃離危險(xiǎn)區(qū)；

2、逃逸過程中產(chǎn)生的過載、振動(dòng)和噪聲等不能超過人的生理極限；

3、故障診斷系統(tǒng)必須在允許逃逸的最短時(shí)間內(nèi)診斷故障并發(fā)出逃逸指令；

4、應(yīng)急救生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能影響火箭的工作并為飛船的改進(jìn)留出余量。

發(fā)展史國外航天技術(shù)發(fā)展的歷史證明，威脅航天員的故障大多發(fā)生在火箭發(fā)射段，因此，解決火箭發(fā)射故障逃逸救生技術(shù)，是一項(xiàng)世界性難題。在完成載人航天飛行的上升段一軌道運(yùn)行一返回的任務(wù)過程中，惡性事故發(fā)生概率最大區(qū)段是上升段。應(yīng)急狀態(tài)的分布和產(chǎn)生的原因大致為：96%的故障是由運(yùn)載器的結(jié)構(gòu)發(fā)生的，2%的故障是地面操作人員的操作故障，2%的故障是有效載荷與運(yùn)載器的分離故障。這些故障可分為不危險(xiǎn)的、危險(xiǎn)的、事故型的及災(zāi)難性的。其中70%的故障都要終止飛行，另有30%的故障仍能按預(yù)定的軌道飛行。

逃逸救生系統(tǒng)的試驗(yàn)研究經(jīng)過模型研究及單個(gè)部件、機(jī)構(gòu)、分系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)部段的地面試驗(yàn)這二個(gè)階段后，要進(jìn)入第三個(gè)階段的綜合飛行試驗(yàn)，模擬各種事故環(huán)境條件的試驗(yàn)，因?yàn)閮H在飛行條件下才能提供可能發(fā)生的真實(shí)的事故條件。這里應(yīng)指出，救生裝置的飛行試驗(yàn)往往是唯一能檢查它工作能力的手段 。“聯(lián)盟”、“阿波羅”的應(yīng)急救生裝置的飛行試驗(yàn)都是使用全尺寸飛船模型和模擬真實(shí)艙段的質(zhì)量一慣性特性的逃逸飛行器所有部件，選擇并模擬最嚴(yán)重的工況模式進(jìn)行試驗(yàn)。這些工況有發(fā)射工況、最大速度頭工況、最大高度工況。

逃逸飛行器是無控的飛行器, 飛行中的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性是依靠飛行器自身的氣動(dòng)力來保證，因而逃逸飛行器的氣動(dòng)設(shè)計(jì)正確及氣動(dòng)特性的準(zhǔn)度是逃逸飛行器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一 。為了把逃逸飛行器外形設(shè)計(jì)成能在逃逸飛行器很寬的飛行攻角和飛行馬赫數(shù)范圍內(nèi)同時(shí)滿足穩(wěn)定性要求和機(jī)動(dòng)性要求, 則要求逃逸飛行器的氣動(dòng)特性隨馬赫數(shù)和攻角的變化很小,因此確定柵格翼的氣動(dòng)特性是氣動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一 。

柵格翼的氣動(dòng)設(shè)計(jì)就是要通過柵格翼的氣動(dòng)特性理論研究和試驗(yàn)研究, 確定柵格翼的幾何尺寸, 如柵格翼的翼展、格距、翼弦、相對(duì)厚度、翼片數(shù)量和翼型等,以滿足逃逸飛行器對(duì)穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性的要求。在試驗(yàn)研究過程中曾遇到風(fēng)洞模型的模擬準(zhǔn)則問題,最終采用了面積相似的準(zhǔn)則解決了柵格翼的風(fēng)洞模擬問題。

逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí), 逃逸飛行器處在逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)噴流作用下飛行 ,這時(shí)逃逸飛行器是在發(fā)動(dòng)機(jī)尾流和空氣流混合作用的流場(chǎng)中 , 其噴流流場(chǎng)會(huì)大大影響飛行器周圍的流場(chǎng), 強(qiáng)烈地影響飛行器的氣動(dòng)特性。噴流對(duì)逃逸飛行器的影響研究是逃逸飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵課題。在研究噴流對(duì)逃逸飛行器氣動(dòng)特性影響的過程中采用了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、冷噴流實(shí)驗(yàn)技術(shù)和熱噴流實(shí)驗(yàn)技術(shù),最終以冷噴流實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)熱噴流實(shí)驗(yàn)結(jié)果的修正應(yīng)用于逃逸飛行器的設(shè)計(jì)。研究表明在有噴流的情況下,逃逸飛行器的壓心位置明顯改變,當(dāng)馬赫數(shù)大于3.2 時(shí),逃逸飛行器的壓心位置迅速前移, 這時(shí) ,逃逸飛行器的逃逸飛行處于不穩(wěn)定狀態(tài) ,而在無噴流狀態(tài)下逃逸飛行器是靜穩(wěn)定的 。在亞聲速時(shí)噴流作用增加了逃逸飛行器的阻力, 在超聲速時(shí)噴流作用減低了逃逸飛行器的阻力。噴流作用使法向力系數(shù)明顯地隨馬赫數(shù)和噴流壓力比增大而減小,在馬赫數(shù)大于4時(shí),噴流幾乎把逃逸飛行器全屏蔽了,這時(shí),逃逸飛行器幾乎不產(chǎn)生法向力 。

我國的逃逸救生試驗(yàn)長(zhǎng)征二號(hào)F火箭的逃逸系統(tǒng)是在火箭發(fā)生災(zāi)難性緊急故障的時(shí)候，在千鈞一發(fā)之際，將載有航天員的飛船帶離故障火箭，以確保航天員生命安全的一個(gè)火箭系統(tǒng)。它的研制是在我國運(yùn)載火箭歷史上首次開展的工作，技術(shù)難度大，儲(chǔ)備少。第一次從事載人工程零高度逃逸飛行試驗(yàn)于1998年10月19日獲得了成功!1

逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特殊可靠性要求高，技術(shù)難度大，是載人工程關(guān)鍵技術(shù)之一。此項(xiàng)目國家投入資金巨大風(fēng)險(xiǎn)大，且要保證航天員的生命安全。他日以繼夜地與同事認(rèn)真分析逃逸系統(tǒng)固體發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上的獨(dú)特性。帶領(lǐng)大家以頑強(qiáng)的毅力對(duì)國外逃逸火箭技術(shù)進(jìn)行研究，并結(jié)合我國固體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)加緊研制。為滿足大推力、高總沖的技術(shù)要求他勇于創(chuàng)新，擬定出了可行技術(shù)方案，使這高難技術(shù)有了新的突破。

我國第四次飛行試驗(yàn)是研制性無人飛行試驗(yàn)，主要任務(wù)是進(jìn)一步考核載人航天工程七大系統(tǒng)的工作性能、可靠性與安全性，逃逸技術(shù)狀態(tài)進(jìn)一步完善；增加支持飛船自主應(yīng)急返回功能，上升段逃逸與應(yīng)急救生地面控制功能進(jìn)一步完善；并針對(duì)前三次飛行試驗(yàn)出現(xiàn)的問題，考核解決措施的有效性;驗(yàn)證飛船人工控制、自主應(yīng)急返回等新增功能與其它系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，進(jìn)一步考核飛船載人環(huán)境并檢驗(yàn)航天員參與情況下有關(guān)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性。2