有关地面紧急救援的设想

文/钱卫

前文中提到的几个太空救援模式及救援系统，要真正实施，都是需要具备一定条件的。比如，美国哥伦比亚号航天飞机执行最后一次任务时，进入了倾角为39 度的轨道，而国际空间站的倾角是51.6度，航天飞机就算用尽燃料，也只能改变倾角2 度。所以，当时就算想让“哥伦比亚号”上的7 位航天员去国际空间站避险，也做不到。从某种意义上讲，从地面应急发射救援航天器，是一种更好的方式。

地面救援航天器的设计难度

这样的航天器应该随时准备好快速发射，对发射条件的要求低。所以，联盟号系统是最好的选择之一。因为飞船和火箭都是在产型号，而且对天气要求比较低，快速响应发射能力比航天飞机要强得多。不过联盟飞船一次只能载3 人，可能还要搭载一名救生员上天。虽然航天飞机已经退役，但猎户座飞船、载人龙飞船、星际航线飞船和中国新一代飞船在执行低轨道任务时，都有载7 人的最大潜力。所以，救援7 个人的需求是存在的。如果遇险航天器上有7 人，需要发射三四次“联盟号”才能把他们全救回来。

▲ “哥伦比亚号”发生事故后，搜索人员搜集的残片

▲ 两架航天飞机相互救援的示意图

美国在“哥伦比亚号”事故后，一度尝试过地面救援预备的模式。发射任何一架航天飞机，都要让另外一架航天飞机处在待命发射的状态。但是，作为一种使用低温燃料的飞行器，救援航天飞机很难像主任务那样完全做好发射准备，只能是部分准备好。因此就存在一种计算方法，救援航天飞机从部分准备到可以发射的最大时间间隔，不能超过遇险航天飞机上的生命支持能力。如果遇险航天飞机可以对接到国际空间站上，那么先要把航天员转移到空间站里，然后把遇险的航天飞机丢弃，让它离开空间站。救援航天飞机的发射准备间隔，不能超过空间站的生命支持能力。当然，这时候的空间站里可能有10 个人之多。

当时按照美国宇航局专家的计算，即使在空间站避险的场景下，联盟飞船也比航天飞机更合适。首先，航天飞机的留轨时间只有14～19 天，而联盟飞船的在轨寿命为6 个月。在国际空间站的日常运行中，就是每6 个月发射一次新的联盟飞船，轮换下来的航天员乘坐上一次飞来的联盟飞船返回地球。如果充当“救生艇”，那么联盟飞船可以在45 分钟内启动，紧急返回。而且联盟火箭的天气适应能力比航天飞机更广泛。联盟飞船作为救援飞行器，最大的问题还是乘员数量太少。不过随着航天飞机的退役，上面这种讨论也失去了意义。

值得注意的是，当需要多次飞行来营救全体航天员时，整个航天员乘组的存活概率由如下公式决定：

全体存活概率=1-（1-主任务成功概率）（1-救援成功概率飞行次数）

如此看来，多次飞行必然会对单次飞行可靠性的更高要求，整个任务的复杂性也更高了。

更棘手的问题是，救援航天器本身如何避免陷入危险当中。比如说，一艘飞船因为轨道碎片的撞击而失去了正常功能，那么考虑到轨道碎片的特性，前来救援的飞船同样处在碎片撞击的风险当中；如果再次被撞击，会导致更多航天员处在危险当中。

如果救援航天器能够接近遇险航天器，那么是不是要和它对接呢？如果后者的姿态不曾失控，那么和它对接是可以实现的。但是，如果一个航天器在失控状态下翻滚，对接要困难得多。

美国一度考虑过为国际空间站研制一种载7 人的应急飞船，叫做“载人返回器”（CRV），编号X-38。在X-38 项目期间进行的模拟表明，使用载人逃生型运载工具从翻滚的航天器中逃生要比接近并与之对接容易得多。

▲ 试验期间的X-38 飞船

航天器上的大型附件，如太阳能电池阵列、散热器和天线，在翻滚时会“扫”出一个很大的空间。这个区域会成为救援航天器的“禁区”，不能前往。当救援航天器接近具有复杂几何形状的翻滚航天器时，很难确定是不是有安全的路径可以接近。因此，人们更倾向于让航天员穿上舱外航天服，逃出翻滚的飞行器，然后用推力器向救援航天器靠近。

美国宇航局曾经模拟过国际空间站救生，即使国际空间站以高达5 度/秒的速度翻滚，从底部的对接口逃生也不算太难。之所以把翻滚角速度设为每秒5 度，是考虑到国际空间站上的单个推进剂罐一次性全部喷射完可能产生的后果。

X-38 的设计思路

现在来说说这个X-38，也就是CRV。它是第一种专门设计的太空救援航天器，因此有必要研究其发展及驾驶要求，以了解未来任何太空救援系统的理想特性和原理。

1986 年“挑战者号”事故发生后，人们对航天飞机的信心一落千丈。美国宇航局需要为设想中的自由号空间站考虑一种救生飞行器，称为载人返回飞行器（ACRV）。ACRV 用于执行三类基本任务：

第一，航天飞机轨道飞行器不在空间站时，如果航天员生病或受伤，将航天员送回。

第二，在空间站发生灾难性故障，无法维持生命，航天飞机轨道器不在空间站或无法在规定时间内到达空间站的情况下，让航天员返回。

第三，如果航天飞机出现问题，无法在规定的时间内为空间站提供补给或更换航天员，让航天员返回。

在ACRV 的设计基线制定出来之前，美国宇航局已经为自由号空间站设计了一个用于处理航天员健康紧急情况的机载医疗设施，制定了应对空间站故障的“避风港”能力基线。例如，“自由号”的舱段以椭圆形的“跑道”模式排列。这样，任何一个舱段发生故障，人们还可以绕路前往其他舱段，并确保每个舱段都有两个出口。各个分系统也是分布式的，任何舱段的失去，都不会中断任何关键服务。

至于ACRV 的基线，是考虑到最恶劣的情况。不过，如果为“自由号”设计这么一艘完整的救生航天器，将大大增加成本。当自由号空间站演变成国际空间站时，俄罗斯承诺在国际空间站的初始运行期间用联盟号飞船来充当CRV。于是，美国宇航局很难再有经费分配给ACRV 了。

▲ X-38 从国际空间站返回的想象图

▲ X-38 飞船的结构

从1986 年到1995 年，美国宇航局先后实施了12 次不同的尝试，来为ACRV 确定配置。虽然做了大量工作，但因为预算问题，所有的尝试都失败了。在这期间，美国宇航局考虑了各种ACRV 的配置，从阿波罗型太空舱到双锥飞行器，从升力体到小型航天飞机轨道飞行器，甚至考虑建造一个完整的航天飞机轨道器。

1995 年，美国宇航局启动了最后一次ACRV 项目尝试，也就是X-38。按计划，X-38 是带有可分离推进装置的升力体。推进装置将推动飞船远离国际空间站，并提供脱轨机动。然后丢弃推进装置，升力体用航天飞机模式返回地球。不过接近地面的时候，要展开一面大型翼伞，以便在各种沙漠地形上以低速和慢速下降着陆。

X-38 项目制造了模型，用B-52轰炸机携带，进行了40 多次空投测试。其中还对升力体/翼伞组合进行了8次自由飞行测试。在X-38 项目的最后一次飞行中，升力体在大约15000米高度模拟了从太空返回的CRV 弹道，并成功地在4500 米高度展开翼伞，落点误差只有45 米。

在项目取消时，打算用航天飞机搭载的太空试验飞行器已完成75%以上。项目取消后进行的结构和系统测试表明，X-38 可以满足美国宇航局的航天飞机货舱搭载飞行的要求，系统能够完成运载工具返回任务。在取消X-38 项目时，美国宇航局预计用15亿美元就可以建造一支由3 艘X-38组成的救援队。

X-38 有几个技术上的创举，除了世界上最大的翼伞和新型升力体外形，还包括：迎角和侧滑的气流数据系统，直接连接到飞行控制系统；用于从气流数据系统计算迎角和侧滑的“神经”网络；激光点燃的烟火系统；用于全权飞行控制表面的机电致动器；鼻盖和身体襟翼的热结构；反作用飞行控制律；电磁式国际空间站对接机构；适合空间飞行的锂离子电池。

▲ X-38 从B-52 轰炸机上投放进行空降实验

▲ X-38 从B-52 上投放的瞬间

▲ X-38 自由飞行的瞬间

X-38 虽然下马了，但这是人类第一次设计专门用于救援/逃生的完整航天器。虽然它的技术未必能沿用到未来，但至少证明了，如果从零开始设计救援航天器，应该如何去考虑问题。

医学上的考虑

为了设计X-38，医学界提出了大量的要求，比如：允许航天员不穿航天服操作，因为他们可能没有时间也没有能力穿上航天服；关键系统中的双重容错；着陆误差不超过10 千米，尽可能减少搜救时间；需要在陆地着陆，因为紧急返回的航天员可能体力不支，在海洋环境中容易伤亡；要具备救护功能，允许受伤的航天员进出，必须配备医疗设备，并在24 小时内让受伤的航天员得到护理；飞船上持续过载小于4g；可以容纳7 名航天员，95%为美国男性；在一次飞行中救出全部航天员；能在各种姿态下与空间站分离，用时不超过3 分钟；具备与地面的双向通信能力；可以自主飞行，不需要航天员干预，因为幸存的航天员可能没有受过操纵飞船的训练；采用英语操作界面；使用寿命3 年，可用性95%。

在医疗设备方面，医学界提出了以下条件：

CRV 应为一名生病或受伤的航天员提供医疗生命支持，包括但不限于：通气、除颤生理监测、静脉输液治疗和药物治疗服务。

CRV 急救医疗包包括：绷带、设备和药品；脉搏血氧计；静脉输液泵；抽吸装置；2 升静脉输液；救护车包；CRV 硬装医疗设备；AED 除颤器/监护仪；呼吸机/呼吸支持包。

X-38/CRV 团队花了大量时间来保证，在金属航天器舱内对某人进行心房除颤，不会对任何其他航天员造成危险电流。

医学界还确定了一个用于飞行期间和着陆后生存24 小时的物资包，包括7 名航天员的服装、帐篷、卫生用具和口粮。其中饮用水17.5 升，包括10.5 升液体负载和7 升饮用水。（液体负载是指让航天员再入前喝大量的水，以防止他们回到地球重力环境中时血压下降）。

▲X-38 飞船的内部床位设置

▲X-38 用大面积翼伞返回着陆

太空救援作为一项技术能力尚处于起步阶段。考虑到在可预见的未来，载人航天很可能仍然是人类飞行中风险最大的一项工作，这一领域还需要做更多的工作。