載人飛船逃逸系統的變革

文/ 尼莫

北京時間5月31日，美國太空探索技術公司使用載人龍飛船，從美國本土把美國航天員送入太空，讓美國在時隔9年后再次具備了完整的載人航天能力。美國作為航天超級大國，新一代的載人龍飛船使用了不少先進概念，就連逃逸系統也激進地使用了推式逃逸系統，這是載人飛船逃逸系統革命性的創新。

▲ “載人龍”飛行逃逸試驗

五花八門的逃生方式

載人飛船系統雖然設計可靠性很高，但天有不測風云，航天發射隨時都難免會有意外發生，如何在發生事故時確保航天員的安全，逃逸系統就成了必不可少的選擇。

第一個進入太空的蘇聯航天員加加林，乘坐的是東方1號載人飛船，它使用彈射座椅來進行逃生。脫胎于普通飛機的彈射逃生設備，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使用，比如蘇聯暴風雪號航天飛機的彈射座椅，只能在3萬米以下高度和3馬赫以下速度進行彈射。很多人還懷疑，如果火箭發射時出現險情，尤其是出現爆炸事故，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。

美國雖然載人飛船發射較晚，但水星飛船卻率先研制和使用了更科學的逃逸塔。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構，塔頂部是帶有3個傾斜噴管的固體火箭發動機。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向推力改變飛船逃逸后的姿態和飛行方向，將更多的推力用于飛行方向的加速，盡快遠離發生故障的火箭。

▲ 聯盟火箭的逃逸塔

▲ 2018年聯盟MS-10整流罩發動機逃逸

▲ 水星飛船的逃逸塔

逃逸塔簡單有效，但技術挑戰也不小。載人飛船動輒數以噸計，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，還能及時遠離故障火箭。

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

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，俄羅斯聯盟MS-10飛船在發射后出現意外，助推器分離時，一枚助推器撞上了仍在工作的芯級火箭，導致火箭發射失敗。聯盟火箭出現故障前，逃逸塔已經分離拋棄，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對低空逃逸，還使用充氣翼傘進行高空逃逸，在火箭出現故障時飛船主發動機點火脫離，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。

國家隊青睞逃逸塔

載人飛船的應急逃生力求萬無一失，它由多套系統協同工作，保障航天員的生命安全。

一旦火箭出現明顯的故障，逃逸塔上的逃逸火箭就將點火工作，拖著飛船和故障火箭分離，并迅速飛遠，避開危險區域。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、發動機關機和姿態失控等各種意外情況進行探測，一旦發現危險的故障，逃逸系統就將自動啟動。當然，為了萬無一失，也有手動啟動的備份。

逃逸塔發揮作用的范圍要比彈射座椅更廣，它既能在發射過程中大顯身手，也能在地面發射準備階段發揮作用。以聯盟號飛船為例，1983年9月26日蘇聯準備發射聯盟T-10飛船，當距離發射只有一分半鐘火箭已經加滿燃料時，聯盟火箭的助推器發生泄漏，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射臺，兩位航天員雖然在緊急逃逸過程中經受了14～17g的大過載，卻平安逃脫了必死的危局。

▲ 載人龍飛行逃逸畫面

▲ 載人龍發射臺中止逃逸測試

▲ 獵戶座飛船逃逸塔

載人飛船發射升空，直到發射后100～120秒逃逸塔分離，逃逸塔都是航天員生命安全的保護者。一旦火箭飛行中出現危及航天員安全的意外故障，逃逸塔就會緊急啟動，牽引飛船從運載火箭上分離，并偏航脫離危險區域。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，此時一旦發生事故無法逃逸。從1968年的聯盟7K-S型號開始，整流罩上安裝了4個額外的高空逃逸發動機，補上了這段時間的逃逸能力空白。聯盟號火箭的整流罩分離后，一旦再出現問題就只能依靠飛船的主發動機分離和再入了，由于飛船發動機的推力很小，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，運載火箭發生事故幾乎都是發射初期，以逃逸塔為核心的逃逸系統應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，都使用逃逸塔承擔發射應急逃生的使命。

不過，逃逸塔也有一些弊端。首先，它增加了飛船系統的重量，削弱了火箭的運載能力。其次，逃逸塔增加了一次分離過程，如果發射時逃逸塔未能分離，會導致任務失敗，嚴重危及航天員的生命。因此，又產生了一種新的逃逸方式，完美地彌補了逃逸塔的缺陷，這就是太空探索技術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。

▲ 阿波羅飛船逃逸試驗

▲ 暴風雪號航天飛機彈射逃逸

▲ 聯盟T-10發射臺逃逸

商業航天主推推式逃逸系統

推式逃逸系統就是在飛船上增加多個反應速度快、安全可靠和較大推力的火箭發動機，當火箭出現事故需要緊急逃生時，這些發動機點火迅速推動飛船逃離火箭。傳統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形象的稱呼。

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

推式逃逸系統理論優勢不少，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，以實際表現證實了這種新穎逃逸方式的可行性。除了太空探索技術公司的載人龍飛船，“波音”的星際線飛船也使用了推式逃逸方案。未來推式逃逸系統有望在更多的飛船上得到應用，逐步成為載人飛船逃逸的主流。