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千鈞一發:逃逸系統上演“生死時速”

  千鈞一發:逃逸系統上演“生死時速”

  隨著人類航天活動拓展到月球、水星、火星,以及太陽系外的星空,世界各國對太空探索的熱情越來越高漲,國內外民營航天事業蓬勃發展。同時,我們也應看到,載人航天畢竟是存在巨大風險的“太空旅行”,如何建設高可靠性的逃逸系統,在航天發射出現危險情況時確保航天員的生命安全,日益成為太空探索的首道“安全閥”。

  太空之旅“步步驚心”

  早在1961年,蘇聯就成功發射瞭世界上第一艘載人飛船。從那時起,即便航天發射的成功率日漸提升,但載人航天器依舊沒有達到盡善盡美的程度。在過去的幾十年時間裡,人們遭遇過各類重大險情,超過30名航天員因此殞命。盡最大可能保證航天員的生命安全,理所當然成為世界各國高度關註的重要課題。

  載人航天器的飛行過程包括發射、上升、下降和著陸等階段,對應的救生系統也分為發射臺緊急撤離、發射上升段救生、上升段高空應急救生、著陸沖擊救生、軌道上救生等多個部分。其中,航天員面臨的最大威脅還是在火箭發射階段。2018年10月,“聯盟MS-10”飛船在發射後不久發生故障,危險瞬間到來。所幸飛船及時進入緊急狀態,兩名航天員從8萬米高空成功上演瞭“天地大逃亡”。

  作為世界上第一個成功實現載人航天飛行的國傢,蘇聯最早設想的逃逸方案,就是頗為簡陋的彈射座椅。這種逃逸系統脫胎於普通軍用飛機的救生設備,主要用於航天員在重返地球階段彈射出艙,曾裝備過“東方”系列載人飛船。在那個連返回艙都尚未成形的年代,看似簡陋的彈射座椅,卻承擔著將航天員帶離險境的艱巨使命。

  隨著“上升”系列飛船開始配備返回艙,航天發射逃逸系統逐漸興起。這種逃逸系統能在火箭發射升空出現故障時,啟動最上端的應急系統,使得飛船與火箭及時分離,讓航天員脫離危險。

  逃離險境的“諾亞方舟”

  仔細觀察用於載人飛行發射的火箭,火箭的尖端部位好似都安裝瞭一根“避雷針”,這就是作為救生裝置的逃逸塔。

  一旦火箭在發射過程中發生軌道偏離、點火不正常等意外情況,地面控制人員就會向飛船發送逃逸指令代碼。得到逃逸指令後,逃逸塔就會以最快的速度將載人飛船帶離火箭並啟動自帶發動機,將飛船帶到遠離發射臺的安全地帶降落,從而挽救航天員的生命。因此,逃逸塔也被稱作航天員的“生命之塔”。

  逃逸塔最初主要應用於人類“水星計劃”。早在整體設計階段,研究人員就創造性地設計瞭一套安裝在飛船頂部的逃逸系統。逃逸塔系統在火箭發射過程中承擔著雙重使命,一旦火箭在升空階段出現異常,逃逸塔就是航天員實現瞬間逃生的“諾亞方舟”。即便火箭全過程飛行順利,逃逸塔也必須隨時處於待命狀態,以確保能隨時應對各種突發情況。

  看似匆忙的“逃逸行動”,其中卻包含著諸多精心設計的“大學問”。逃逸可分為整艙逃逸和個人逃逸兩種,根據逃生環境又可細分為大氣層逃逸和在軌逃逸,大氣層逃逸還包括主動段逃逸和再入段逃逸兩種情況。使用逃逸塔逃逸,也可分為配有整流罩和無飛船整流罩兩種逃逸方案,“聯盟”系列飛船主要采用的是配有整流罩的逃逸塔方案。

  當然,航天發射逃逸系統並不僅限於逃逸塔。載人航天的救生裝置一般包括彈射座椅、逃逸塔、分離座艙和載人機動裝置等,它們各自在飛行的不同高度發揮作用。當飛行高度位於2千米至10千米時,航天員既可使用彈射座椅彈射出艙,也可以啟動逃逸塔自救。當飛行到10千米至110千米高度時,就隻能啟動逃逸塔救生瞭。

  如果險情發生在逃逸塔分離之後,火箭整流罩上仍然有可以用於分離的火箭發動機,能使得運載火箭和飛船分離。當整流罩拋離後,如果這時再出現故障,航天員隻能通過分離飛船返回艙的方法,搭乘返回艙返回。即便是飛船的逃逸系統在遭遇險情時沒能自動啟動,航天員依舊可以通過座艙內的手動按鈕緊急啟動逃逸系統。此次“聯盟-FG”火箭事故,航天員就是手動啟動的逃逸系統。

  載人航天的首道“安全閥”

  應急逃生是一個極為復雜的系統,航天發射逃逸技術也成為評判一個國傢航天實力的“試金石”。航天逃逸的每個環節都相互影響、相互制約,不僅需要故障診斷系統在最短時間內確認故障並發出指令,也對各類設備和航天員自身素質提出瞭很高要求。一旦航天發射逃逸過程中任一環節出現差錯,都會讓整個救生過程功虧一簣。

  在守護人類太空飛行事業上,逃逸系統創下過許多輝煌。人類歷史上第一次成功實現高空救生,發生在1975年4月蘇聯“聯盟-18A”飛船準備與“禮炮”號空間站對接時。當火箭飛到144千米高度時,火箭制導系統突然發生故障,導致其偏離軌道並帶著飛船開始翻滾。逃逸系統緊急啟動,使飛船返回艙與火箭分離。飛船按照返回程序,載著航天員降落到離發射場1600千米之外的西伯利亞西部山區。

  目前用於載人航天發射的火箭均帶有逃逸塔系統。通常情況下,逃逸系統的工作時間可維持到發射後100秒左右,這期間即便是發生危險,也可以通過逃逸系統挽救航天員的生命。

  作為人類歷史上發射次數最多的火箭和載人飛船,俄羅斯“聯盟”號火箭和“聯盟”號飛船已經在不斷排除故障險情中,具備瞭極高的安全性。1983年9月23日,蘇聯“聯盟-U”型運載火箭搭載“聯盟T-10-1”飛船升空,但火箭在點火後發生故障,逃逸塔系統迅即啟動,帶著飛船成功脫離火箭並安全降落。

  此外,人們也在不斷完善新一代航天設備中的逃逸系統,如采用更為新穎的推式逃逸系統,通過將逃逸發動機裝在飛船上,在遭遇緊急情況時實現飛船與火箭快速脫離。此次“聯盟MS-10”飛船在彈道下降過程中艙段分離,飛船逃逸系統準確執行瞭發射階段的救生程序,從而安全脫險。

  圖片來自互聯網

張璦敏 張玉民

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