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千钧一发:逃逸系统上演“生死时速”

来源:解放军报2019-07-12 08:55

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  随着人类航天活动拓展到月球、水星、火星,以及太阳系外的星空,世界各国对太空探索的热情越来越高涨,国内外民营航天事业蓬勃发展。同时,我们也应看到,载人航天毕竟是存在巨大风险的“太空旅行”,如何建设高可靠性的逃逸系统,在航天发射出现危险情况时确保航天员的生命安全,日益成为太空探索的首道“安全阀”。

  太空之旅“步步惊心”

  早在1961年,苏联就成功发射了世界上第一艘载人飞船。从那时起,即便航天发射的成功率日渐提升,但载人航天器依旧没有达到尽善尽美的程度。在过去的几十年时间里,人们遭遇过各类重大险情,超过30名航天员因此殒命。尽最大可能保证航天员的生命安全,理所当然成为世界各国高度关注的重要课题。

  载人航天器的飞行过程包括发射、上升、下降和着陆等阶段,对应的救生系统也分为发射台紧急撤离、发射上升段救生、上升段高空应急救生、着陆冲击救生、轨道上救生等多个部分。其中,航天员面临的最大威胁还是在火箭发射阶段。2018年10月,“联盟MS-10”飞船在发射后不久发生故障,危险瞬间到来。所幸飞船及时进入紧急状态,两名航天员从8万米高空成功上演了“天地大逃亡”。

  作为世界上第一个成功实现载人航天飞行的国家,苏联最早设想的逃逸方案,就是颇为简陋的弹射座椅。这种逃逸系统脱胎于普通军用飞机的救生设备,主要用于航天员在重返地球阶段弹射出舱,曾装备过“东方”系列载人飞船。在那个连返回舱都尚未成形的年代,看似简陋的弹射座椅,却承担着将航天员带离险境的艰巨使命。

  随着“上升”系列飞船开始配备返回舱,航天发射逃逸系统逐渐兴起。这种逃逸系统能在火箭发射升空出现故障时,启动最上端的应急系统,使得飞船与火箭及时分离,让航天员脱离危险。

  逃离险境的“诺亚方舟”

  仔细观察用于载人飞行发射的火箭,火箭的尖端部位好似都安装了一根“避雷针”,这就是作为救生装置的逃逸塔。

  一旦火箭在发射过程中发生轨道偏离、点火不正常等意外情况,地面控制人员就会向飞船发送逃逸指令代码。得到逃逸指令后,逃逸塔就会以最快的速度将载人飞船带离火箭并启动自带发动机,将飞船带到远离发射台的安全地带降落,从而挽救航天员的生命。因此,逃逸塔也被称作航天员的“生命之塔”。

  逃逸塔最初主要应用于人类“水星计划”。早在整体设计阶段,研究人员就创造性地设计了一套安装在飞船顶部的逃逸系统。逃逸塔系统在火箭发射过程中承担着双重使命,一旦火箭在升空阶段出现异常,逃逸塔就是航天员实现瞬间逃生的“诺亚方舟”。即便火箭全过程飞行顺利,逃逸塔也必须随时处于待命状态,以确保能随时应对各种突发情况。

  看似匆忙的“逃逸行动”,其中却包含着诸多精心设计的“大学问”。逃逸可分为整舱逃逸和个人逃逸两种,根据逃生环境又可细分为大气层逃逸和在轨逃逸,大气层逃逸还包括主动段逃逸和再入段逃逸两种情况。使用逃逸塔逃逸,也可分为配有整流罩和无飞船整流罩两种逃逸方案,“联盟”系列飞船主要采用的是配有整流罩的逃逸塔方案。

  当然,航天发射逃逸系统并不仅限于逃逸塔。载人航天的救生装置一般包括弹射座椅、逃逸塔、分离座舱和载人机动装置等,它们各自在飞行的不同高度发挥作用。当飞行高度位于2千米至10千米时,航天员既可使用弹射座椅弹射出舱,也可以启动逃逸塔自救。当飞行到10千米至110千米高度时,就只能启动逃逸塔救生了。

  如果险情发生在逃逸塔分离之后,火箭整流罩上仍然有可以用于分离的火箭发动机,能使得运载火箭和飞船分离。当整流罩抛离后,如果这时再出现故障,航天员只能通过分离飞船返回舱的方法,搭乘返回舱返回。即便是飞船的逃逸系统在遭遇险情时没能自动启动,航天员依旧可以通过座舱内的手动按钮紧急启动逃逸系统。此次“联盟-FG”火箭事故,航天员就是手动启动的逃逸系统。

  载人航天的首道“安全阀”

  应急逃生是一个极为复杂的系统,航天发射逃逸技术也成为评判一个国家航天实力的“试金石”。航天逃逸的每个环节都相互影响、相互制约,不仅需要故障诊断系统在最短时间内确认故障并发出指令,也对各类设备和航天员自身素质提出了很高要求。一旦航天发射逃逸过程中任一环节出现差错,都会让整个救生过程功亏一篑。

  在守护人类太空飞行事业上,逃逸系统创下过许多辉煌。人类历史上第一次成功实现高空救生,发生在1975年4月苏联“联盟-18A”飞船准备与“礼炮”号空间站对接时。当火箭飞到144千米高度时,火箭制导系统突然发生故障,导致其偏离轨道并带着飞船开始翻滚。逃逸系统紧急启动,使飞船返回舱与火箭分离。飞船按照返回程序,载着航天员降落到离发射场1600千米之外的西伯利亚西部山区。

  目前用于载人航天发射的火箭均带有逃逸塔系统。通常情况下,逃逸系统的工作时间可维持到发射后100秒左右,这期间即便是发生危险,也可以通过逃逸系统挽救航天员的生命。

  作为人类历史上发射次数最多的火箭和载人飞船,俄罗斯“联盟”号火箭和“联盟”号飞船已经在不断排除故障险情中,具备了极高的安全性。1983年9月23日,苏联“联盟-U”型运载火箭搭载“联盟T-10-1”飞船升空,但火箭在点火后发生故障,逃逸塔系统迅即启动,带着飞船成功脱离火箭并安全降落。

  此外,人们也在不断完善新一代航天设备中的逃逸系统,如采用更为新颖的推式逃逸系统,通过将逃逸发动机装在飞船上,在遭遇紧急情况时实现飞船与火箭快速脱离。此次“联盟MS-10”飞船在弹道下降过程中舱段分离,飞船逃逸系统准确执行了发射阶段的救生程序,从而安全脱险。

  图片来自互联网

  张瑷敏 张玉民

[ 责编:丁玉冰 ]
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