[科普中国]-俄联盟号宇航员在失败发射中劫后余生，逃逸系统是如何救命的？

上周，当地时间2018年10月11日，俄罗斯“联盟MS-10”飞船从哈萨克斯坦境内的拜科努尔发射基地升空后119秒，火箭第二级发动机突然关闭，乘员舱与火箭紧急分离，抛出降落伞，俄罗斯宇航员奥夫奇宁和美国宇航员黑格安全着陆。1983年9月26日，苏联联盟号飞船发射失败，逃逸塔启动，来源：NASA这已经不是第一次发射失败被迫使用逃逸系统的情况了。早在1983年9月26日，苏联联盟号飞船就因为发射架起火不得不紧急使用逃逸系统保障宇航员的安全。所以，对于载人航天任务而言，一旦任务失败，逃逸系统的优劣将直接决定航天员能否安全返航。NASA不久前公开的“天鹅座”飞船发射失败瞬间。升空6秒时出现故障，安全官员启动了自毁命令逃逸系统到底是一套怎样的装备载人飞船和卫星的发射有很大的区别。对于载人航天任务而言，保障宇航员的安泰是载人航天的先导和前提。所以，即使任务失败，也要最大限度保证宇航员的安全，这就需要有逃逸系统的支持。被用于载人航天的运载火箭拥有独立的逃逸系统，能够最大限度地为任务的顺利进行保驾护航。逃逸系统的研发对各国载人航天计划来说都是极为重要的组成部分。逃逸系统中宇航员位置示意图，来源：NASA常见的飞船逃逸系统由可分离的头部整流罩和逃逸塔组成，以CZ—2F为例，其组成如图所示。逃逸系统的动力装置由逃逸主发动机、分离发动机、偏航俯仰发动机、高空逃逸发动机和高空分离发动机组成，其中逃逸主发动机、分离发动机、偏航俯仰发动机组成头部动力装置。如果飞船载人，那么宇航员的位置大概在高空逃逸发动机和逃逸主发动机之间。倘若发生危险，我们怎样来保障宇航员的安全呢？逃逸过程是如何实施的在火箭发射之后的120秒内（该时间指标可能因各国发射任务不同进行更改）实施逃逸的具体过程如下：此时火箭将位于0~40千米的高空，若意外情况发生，逃逸系统的主发动机将率先响应，产生巨大推力，将舱体推至1500米之外，进而帮助航天员逃生，整个响应过程在3秒之内就能完成。实际上，由于主逃逸发动机在航天员所处舱室的上方，航天员是被“拉”走的。逃逸塔结构。图源：《CZ-2F火箭逃逸系统》如果在约120秒的时间内火箭飞行正常，随着飞行高度的增加，大气密度逐渐减小，空气对逃逸飞行器产生的阻力减小，气动稳定力矩也逐渐减小，在各种干扰作用下再进行逃逸塔逃逸已不能保证飞行器的稳定性。换句话说，在高空条件下依靠气动稳定性来实现逃逸已经相当困难。这意味着我们如果强行使用主发动机进行逃逸，可能会面临更多不确定性因素。例如，由于主发动机推力偏心导致的逃逸飞行器的不可控翻滚。具体来说，由于此时空气阻力减小，倘若主发动机的推力没有经过逃逸飞行器的质心，则很有可能导致飞行器整体受到使其产生不断翻滚的力矩。土星5号逃逸塔实验在高空大气中，我们如果强行使用主发动机产生推力“拉”逃逸飞行器，本来高空中空气阻力就小，主发动机推力又很大，很可能让整个飞行器像陀螺一样在空中旋转起来，远超人体适应极限的过载将导致舱内宇航员的内脏器官破裂，甚至飞船解体（例如日本的“瞳”号卫星，上天三天后即自旋解体）。JAXA（日本宇航机构）发布的“瞳”卫星宣传画这时候我们就需要选择一个合适的时间点，将逃逸主发动机（即我们看到的“逃逸塔”的尖端，位于逃逸系统上部，发生情况时将舱段拉离）抛掉，进而采用推力较小的高空逃逸发动机（位于舱段连接处，在整个逃逸系统的下部，发生情况时将舱段推离）进行逃逸。这样我们既可以完成目标，又可以抛下主发动机这个在高空中已经起不到作用的“包袱”。该阶段的逃逸便被称为“无塔逃逸”，在该阶段逃逸的速度已经不是重点考虑的问题，这个阶段更应该考虑的是如何让逃逸飞行器的姿态控制的更稳定，能够满足航天员的生理承受需求。近日发射失败的“联盟号”飞船就是通过我们提到的“无塔逃逸”进行逃逸的。当时的情况是这样的：北京时间16时40分15秒，联盟号FG火箭从拜科努尔航天中心发射升空。1分54秒后，按照正常发射程序，逃逸塔主逃逸发动机被抛掉。又经过4秒，4枚助推器火箭分离，但有一枚助推火箭没能顺利脱离，撞上了芯级火箭（外面那四个小火箭之一撞到了中间的大火箭）碰撞导致火箭关机，发射终止。此时飞船位于50千米左右的高空。“无塔逃逸”系统运作，轨道舱和宇航员乘坐的返回舱与飞船下半部分紧急分离。升空后2分40秒，返回舱与飞船其他部分分离，坠落到哈萨克斯坦境内。联盟号MS-10飞船发射以失败告终，所幸两名宇航员平安返回地面。虽然逃逸塔是载人航天系统的必备组成，但我们不能根据“有没有逃逸塔”来轻易判定飞船“载没载人”， 这是因为某些飞船会借用其他的逃逸装置来应对突发情况，例如“弹射座椅”。没有逃逸塔的大力神三号（左）和装有逃逸塔的土星五号（右）弹射座椅效果图示我国在逃逸系统方面的发展水平已跻身世界前列。我国的长征系列运载火箭均使用加装逃逸塔的方式保障航天员的生命安全。逃逸塔在发射前15分钟至发射后120秒内起作用，这一段时间也是发射任务的“高危期”。这就是为什么在发射过程中“逃逸塔分离”会被强调。“逃逸塔分离”表明我们成功渡过了一个巨大难关，成功的可能性更增加了一分。作者 | 祁敏 北京航空航天大学宇航学院飞行器设计专业 博士审稿 | 赵石磊 北京航空航天大学 宇航学院党支部办公室编辑 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”参考文献：1. 张智，CZ-2F火箭逃逸系统[J]，导弹与航天运载技术2. 黄昏晨钟，没有逃逸塔的载人飞船[N]，太空探索2013年第九期3. http://global.jaxa.jp/projects/sat/astro_h/files/astroh_presskit.pdf4. https://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-was-the-saturn-v-58.html5. https://www.history.nasa.gov/MHR-5/part-5.htm6. https://nasasearch.nasa.gov/search/images?affiliate=nasa&page=5&query=cygnus&utf8=?7. https://nasasearch.nasa.gov/search/images?utf8=?&affiliate=nasa&query=escape+system8. https://history.nasa.gov/SP-350/ch-2-2.html