載人飛船逃逸系統(tǒng)的變革

五花八門的逃生方式

載人飛船系統(tǒng)雖然設(shè)計可靠性很高，但天有不測風(fēng)云，航天發(fā)射隨時都難免會有意外發(fā)生，如何在發(fā)生事故時確保航天員的安全，逃逸系統(tǒng)就成了必不可少的選擇。

第一個進(jìn)入太空的蘇聯(lián)航天員加加林，乘坐的是東方1號載人飛船，它使用彈射座椅來進(jìn)行逃生。脫胎于普通飛機(jī)的彈射逃生設(shè)備，對于航天逃生并不合適。

彈射座椅只能在極小的高度和速度范圍內(nèi)使用，比如蘇聯(lián)暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)的彈射座椅，只能在3萬米以下高度和3馬赫以下速度進(jìn)行彈射。很多人還懷疑，如果火箭發(fā)射時出現(xiàn)險情，尤其是出現(xiàn)爆炸事故，彈射座椅能不能把人彈到安全距離？總之彈射座椅并不能讓航天員的安全得到保障，彈射座椅的局限性非常明顯。

暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)彈射逃逸

美國雖然載人飛船發(fā)射較晚，但水星飛船卻率先研制和使用了更科學(xué)的逃逸塔。逃逸塔也是迄今為止載人飛船的主流逃逸方式。逃逸塔的名字來自于它類似塔狀的外形。水星飛船的逃逸塔是一個紅色桁架塔狀結(jié)構(gòu)，塔頂部是帶有3個傾斜噴管的固體火箭發(fā)動機(jī)。逃逸塔的長度是水星飛船的約兩倍，之所以要做得這么長，是為了獲得更長的力臂，這樣就能用較小的側(cè)向推力改變飛船逃逸后的姿態(tài)和飛行方向，將更多的推力用于飛行方向的加速，盡快遠(yuǎn)離發(fā)生故障的火箭。

逃逸塔簡單有效，但技術(shù)挑戰(zhàn)也不小。載人飛船動輒數(shù)以噸計，而火箭在飛行中是不斷加速的，有的火箭加速峰值甚至可達(dá)5g，逃逸塔必須能在最糟糕的條件下和火箭分離，并及時逃離故障火箭的范圍，避免火箭爆炸帶來的危險，這就要求逃逸塔所攜帶的逃逸火箭推力巨大，不僅和火箭快速分離，還能及時遠(yuǎn)離故障火箭。

逃逸塔使用的固體火箭發(fā)動機(jī)要求具備高可靠性，大推力并反應(yīng)迅速，研制難度要比一般的固體火箭發(fā)動機(jī)高得多。逃逸塔有效性已經(jīng)得到了充分證明，它曾在多次航天發(fā)射事故中大顯身手，是航天員當(dāng)之無愧的保護(hù)神。

彈射座椅和逃逸塔都是航天員逃生的手段，但航天逃逸的方式不止于此。2018年10月11日，俄羅斯聯(lián)盟MS-10飛船在發(fā)射后出現(xiàn)意外，助推器分離時，一枚助推器撞上了仍在工作的芯級火箭，導(dǎo)致火箭發(fā)射失敗。聯(lián)盟火箭出現(xiàn)故障前，逃逸塔已經(jīng)分離拋棄，這時起作用的是飛船整流罩上的高空逃逸火箭。它推動飛船和故障火箭分離，并及時飛離危險區(qū)域，最終3位航天員都安全返回地面。美國幾十年前的雙子星座飛船，不僅使用彈射座椅應(yīng)對低空逃逸，還使用充氣翼傘進(jìn)行高空逃逸，在火箭出現(xiàn)故障時飛船主發(fā)動機(jī)點(diǎn)火脫離，并使用翼傘滑翔著陸，這種組合既不安全也不可靠，好在雙子星座飛船從未用到逃逸系統(tǒng)。

2018年聯(lián)盟MS-10整流罩發(fā)動機(jī)逃逸

聯(lián)盟火箭的逃逸塔

國家隊青睞逃逸塔

載人飛船的應(yīng)急逃生力求萬無一失，它由多套系統(tǒng)協(xié)同工作，保障航天員的生命安全。

一旦火箭出現(xiàn)明顯的故障，逃逸塔上的逃逸火箭就將點(diǎn)火工作，拖著飛船和故障火箭分離，并迅速飛遠(yuǎn)，避開危險區(qū)域。工程師們在火箭和飛船上安裝了各種傳感器，對火箭推力不足、發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)和姿態(tài)失控等各種意外情況進(jìn)行探測，一旦發(fā)現(xiàn)危險的故障，逃逸系統(tǒng)就將自動啟動。當(dāng)然，為了萬無一失，也有手動啟動的備份。

逃逸塔發(fā)揮作用的范圍要比彈射座椅更廣，它既能在發(fā)射過程中大顯身手，也能在地面發(fā)射準(zhǔn)備階段發(fā)揮作用。以聯(lián)盟號飛船為例，1983年9月26日蘇聯(lián)準(zhǔn)備發(fā)射聯(lián)盟T-10飛船，當(dāng)距離發(fā)射只有一分半鐘火箭已經(jīng)加滿燃料時，聯(lián)盟火箭的助推器發(fā)生泄漏，并很快燃起熊熊大火。面對既無法控制火勢，也無法排空燃料的危險局面，地面控制人員及時手動啟動逃逸塔，趕在火箭爆炸前6秒牽引載人飛船逃離發(fā)射臺，兩位航天員雖然在緊急逃逸過程中經(jīng)受了14?17g的大過載，卻平安逃脫了必死的危局。

載人飛船發(fā)射升空，直到發(fā)射后100?120秒逃逸塔分離，逃逸塔都是航天員生命安全的保護(hù)者。一旦火箭飛行中出現(xiàn)危及航天員安全的意外故障，逃逸塔就會緊急啟動，牽引飛船從運(yùn)載火箭上分離，并偏航脫離危險區(qū)域。隨后逃逸塔會與載人飛船分離，載人飛船自行完成后半段飛行直到降落著陸。早期的聯(lián)盟飛船在逃逸塔分離后，整流罩分離前處于聽天由命的狀態(tài)，此時一旦發(fā)生事故無法逃逸。從1968年的聯(lián)盟7K-S型號開始，整流罩上安裝了4個額外的高空逃逸發(fā)動機(jī)，補(bǔ)上了這段時間的逃逸能力空白。聯(lián)盟號火箭的整流罩分離后，一旦再出現(xiàn)問題就只能依靠飛船的主發(fā)動機(jī)分離和再入了，由于飛船發(fā)動機(jī)的推力很小，逃逸分離的加速也很慢，安全逃逸的概率自然大打折扣。不過一般來說，運(yùn)載火箭發(fā)生事故幾乎都是發(fā)射初期，以逃逸塔為核心的逃逸系統(tǒng)應(yīng)對這樣的情況夠用了。

逃逸塔至今仍然是飛船逃逸的主流選擇，不僅俄羅斯的聯(lián)盟系列飛船，美國的水星載人飛船、阿波羅飛船，以及目前正在研制的深空載人獵戶座飛船，都使用逃逸塔承擔(dān)發(fā)射應(yīng)急逃生的使命。

水星飛船的逃逸塔

阿波羅飛船逃逸試驗

獵戶座飛船逃逸塔

不過，逃逸塔也有一些弊端。首先，它增加了飛船系統(tǒng)的重量，削弱了火箭的運(yùn)載能力。其次，逃逸塔增加了一次分離過程，如果發(fā)射時逃逸塔未能分離，會導(dǎo)致任務(wù)失敗，嚴(yán)重危及航天員的生命。因此，又產(chǎn)生了一種新的逃逸方式，完美地彌補(bǔ)了逃逸塔的缺陷，這就是太空探索技術(shù)公司載人龍飛船和波音公司星際線飛船使用的推式逃逸系統(tǒng)。

“載人龍”飛行逃逸試驗

商業(yè)航天主推推式逃逸系統(tǒng)

推式逃逸系統(tǒng)就是在飛船上增加多個反應(yīng)速度快、安全可靠和較大推力的火箭發(fā)動機(jī)，當(dāng)火箭出現(xiàn)事故需要緊急逃生時，這些發(fā)動機(jī)點(diǎn)火迅速推動飛船逃離火箭。傳統(tǒng)的逃逸塔是拉著飛船逃離，而推式逃逸是推動飛船逃生，推式逃逸還真是相當(dāng)形象的稱呼。

推式逃逸系統(tǒng)和飛船軌姿控系統(tǒng)共用飛船的燃料，降低了飛船系統(tǒng)的重量，更重要的是，推式逃逸系統(tǒng)沒有逃逸塔和整流罩分離等步驟，降低了逃逸系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了逃逸系統(tǒng)的可靠性。無論飛船位于發(fā)射臺上，還是已經(jīng)隨著火箭發(fā)射升空，直到最后成功入軌，推式逃逸系統(tǒng)都可以有效地工作。傳統(tǒng)逃逸塔分離后，遭遇火箭故障等緊急情況時，只能依靠飛船發(fā)動機(jī)逃離，而飛船主發(fā)動機(jī)推力小、分離慢。推式逃逸系統(tǒng)就沒有這樣的隱患，可以說是從發(fā)射到入軌的全方位保護(hù)神。

推式逃逸系統(tǒng)理論優(yōu)勢不少，但人們對它的可行性和可靠性還有一定的憂慮。今年1月載人龍飛船順利進(jìn)行了高空逃逸試驗，在最大動壓時刻（Max-Q）飛船從火箭上成功分離逃逸，隨后還引爆了發(fā)射用的獵鷹9號火箭。爆炸火球上方疾馳的載人龍飛船，以實際表現(xiàn)證實了這種新穎逃逸方式的可行性。除了太空探索技術(shù)公司的載人龍飛船，“波音”的星際線飛船也使用了推式逃逸方案。未來推式逃逸系統(tǒng)有望在更多的飛船上得到應(yīng)用，逐步成為載人飛船逃逸的主流。

載人龍飛行逃逸畫面

載人龍發(fā)射臺中止逃逸測試