载人飞船逃逸系统的变革

文/ 尼莫

北京时间5月31日，美国太空探索技术公司使用载人龙飞船，从美国本土把美国航天员送入太空，让美国在时隔9年后再次具备了完整的载人航天能力。美国作为航天超级大国，新一代的载人龙飞船使用了不少先进概念，就连逃逸系统也激进地使用了推式逃逸系统，这是载人飞船逃逸系统革命性的创新。

▲ “载人龙”飞行逃逸试验

五花八门的逃生方式

载人飞船系统虽然设计可靠性很高，但天有不测风云，航天发射随时都难免会有意外发生，如何在发生事故时确保航天员的安全，逃逸系统就成了必不可少的选择。

第一个进入太空的苏联航天员加加林，乘坐的是东方1号载人飞船，它使用弹射座椅来进行逃生。脱胎于普通飞机的弹射逃生设备，对于航天逃生并不合适。

弹射座椅只能在极小的高度和速度范围内使用，比如苏联暴风雪号航天飞机的弹射座椅，只能在3万米以下高度和3马赫以下速度进行弹射。很多人还怀疑，如果火箭发射时出现险情，尤其是出现爆炸事故，弹射座椅能不能把人弹到安全距离？总之弹射座椅并不能让航天员的安全得到保障，弹射座椅的局限性非常明显。

美国虽然载人飞船发射较晚，但水星飞船却率先研制和使用了更科学的逃逸塔。逃逸塔也是迄今为止载人飞船的主流逃逸方式。逃逸塔的名字来自于它类似塔状的外形。水星飞船的逃逸塔是一个红色桁架塔状结构，塔顶部是带有3个倾斜喷管的固体火箭发动机。逃逸塔的长度是水星飞船的约两倍，之所以要做得这么长，是为了获得更长的力臂，这样就能用较小的侧向推力改变飞船逃逸后的姿态和飞行方向，将更多的推力用于飞行方向的加速，尽快远离发生故障的火箭。

▲ 联盟火箭的逃逸塔

▲ 2018年联盟MS-10整流罩发动机逃逸

▲ 水星飞船的逃逸塔

逃逸塔简单有效，但技术挑战也不小。载人飞船动辄数以吨计，而火箭在飞行中是不断加速的，有的火箭加速峰值甚至可达5g，逃逸塔必须能在最糟糕的条件下和火箭分离，并及时逃离故障火箭的范围，避免火箭爆炸带来的危险，这就要求逃逸塔所携带的逃逸火箭推力巨大，不仅和火箭快速分离，还能及时远离故障火箭。

逃逸塔使用的固体火箭发动机要求具备高可靠性，大推力并反应迅速，研制难度要比一般的固体火箭发动机高得多。逃逸塔有效性已经得到了充分证明，它曾在多次航天发射事故中大显身手，是航天员当之无愧的保护神。

弹射座椅和逃逸塔都是航天员逃生的手段，但航天逃逸的方式不止于此。2018年10月11日，俄罗斯联盟MS-10飞船在发射后出现意外，助推器分离时，一枚助推器撞上了仍在工作的芯级火箭，导致火箭发射失败。联盟火箭出现故障前，逃逸塔已经分离抛弃，这时起作用的是飞船整流罩上的高空逃逸火箭。它推动飞船和故障火箭分离，并及时飞离危险区域，最终3位航天员都安全返回地面。美国几十年前的双子星座飞船，不仅使用弹射座椅应对低空逃逸，还使用充气翼伞进行高空逃逸，在火箭出现故障时飞船主发动机点火脱离，并使用翼伞滑翔着陆，这种组合既不安全也不可靠，好在双子星座飞船从未用到逃逸系统。

国家队青睐逃逸塔

载人飞船的应急逃生力求万无一失，它由多套系统协同工作，保障航天员的生命安全。

一旦火箭出现明显的故障，逃逸塔上的逃逸火箭就将点火工作，拖着飞船和故障火箭分离，并迅速飞远，避开危险区域。工程师们在火箭和飞船上安装了各种传感器，对火箭推力不足、发动机关机和姿态失控等各种意外情况进行探测，一旦发现危险的故障，逃逸系统就将自动启动。当然，为了万无一失，也有手动启动的备份。

逃逸塔发挥作用的范围要比弹射座椅更广，它既能在发射过程中大显身手，也能在地面发射准备阶段发挥作用。以联盟号飞船为例，1983年9月26日苏联准备发射联盟T-10飞船，当距离发射只有一分半钟火箭已经加满燃料时，联盟火箭的助推器发生泄漏，并很快燃起熊熊大火。面对既无法控制火势，也无法排空燃料的危险局面，地面控制人员及时手动启动逃逸塔，赶在火箭爆炸前6秒牵引载人飞船逃离发射台，两位航天员虽然在紧急逃逸过程中经受了14～17g的大过载，却平安逃脱了必死的危局。

▲ 载人龙飞行逃逸画面

▲ 载人龙发射台中止逃逸测试

▲ 猎户座飞船逃逸塔

载人飞船发射升空，直到发射后100～120秒逃逸塔分离，逃逸塔都是航天员生命安全的保护者。一旦火箭飞行中出现危及航天员安全的意外故障，逃逸塔就会紧急启动，牵引飞船从运载火箭上分离，并偏航脱离危险区域。随后逃逸塔会与载人飞船分离，载人飞船自行完成后半段飞行直到降落着陆。早期的联盟飞船在逃逸塔分离后，整流罩分离前处于听天由命的状态，此时一旦发生事故无法逃逸。从1968年的联盟7K-S型号开始，整流罩上安装了4个额外的高空逃逸发动机，补上了这段时间的逃逸能力空白。联盟号火箭的整流罩分离后，一旦再出现问题就只能依靠飞船的主发动机分离和再入了，由于飞船发动机的推力很小，逃逸分离的加速也很慢，安全逃逸的概率自然大打折扣。不过一般来说，运载火箭发生事故几乎都是发射初期，以逃逸塔为核心的逃逸系统应对这样的情况够用了。

逃逸塔至今仍然是飞船逃逸的主流选择，不仅俄罗斯的联盟系列飞船，美国的水星载人飞船、阿波罗飞船，以及目前正在研制的深空载人猎户座飞船，都使用逃逸塔承担发射应急逃生的使命。

不过，逃逸塔也有一些弊端。首先，它增加了飞船系统的重量，削弱了火箭的运载能力。其次，逃逸塔增加了一次分离过程，如果发射时逃逸塔未能分离，会导致任务失败，严重危及航天员的生命。因此，又产生了一种新的逃逸方式，完美地弥补了逃逸塔的缺陷，这就是太空探索技术公司载人龙飞船和波音公司星际线飞船使用的推式逃逸系统。

▲ 阿波罗飞船逃逸试验

▲ 暴风雪号航天飞机弹射逃逸

▲ 联盟T-10发射台逃逸

商业航天主推推式逃逸系统

推式逃逸系统就是在飞船上增加多个反应速度快、安全可靠和较大推力的火箭发动机，当火箭出现事故需要紧急逃生时，这些发动机点火迅速推动飞船逃离火箭。传统的逃逸塔是拉着飞船逃离，而推式逃逸是推动飞船逃生，推式逃逸还真是相当形象的称呼。

推式逃逸系统和飞船轨姿控系统共用飞船的燃料，降低了飞船系统的重量，更重要的是，推式逃逸系统没有逃逸塔和整流罩分离等步骤，降低了逃逸系统的复杂度，提高了逃逸系统的可靠性。无论飞船位于发射台上，还是已经随着火箭发射升空，直到最后成功入轨，推式逃逸系统都可以有效地工作。传统逃逸塔分离后，遭遇火箭故障等紧急情况时，只能依靠飞船发动机逃离，而飞船主发动机推力小、分离慢。推式逃逸系统就没有这样的隐患，可以说是从发射到入轨的全方位保护神。

推式逃逸系统理论优势不少，但人们对它的可行性和可靠性还有一定的忧虑。今年1月载人龙飞船顺利进行了高空逃逸试验，在最大动压时刻（Max-Q）飞船从火箭上成功分离逃逸，随后还引爆了发射用的猎鹰9号火箭。爆炸火球上方疾驰的载人龙飞船，以实际表现证实了这种新颖逃逸方式的可行性。除了太空探索技术公司的载人龙飞船，“波音”的星际线飞船也使用了推式逃逸方案。未来推式逃逸系统有望在更多的飞船上得到应用，逐步成为载人飞船逃逸的主流。