为航天员护航——载人火箭故检逃逸系统

世界主流载人火箭在外形上大多都有个共同的特征：火箭“头顶”上都顶着一个尖尖的装置，叫做“逃逸塔”，也就是火箭的逃逸系统；与之一起发挥关键作用的是外形上看不到的故障检测处理系统，这是载人火箭所独有的系统。载人火箭在发射台等待发射到飞行的过程中，故检逃逸系统配合工作，故障检测处理系统一旦检测到火箭出现情况、有可能危及到航天员的安全，就会给逃逸系统发出逃逸指令，逃逸系统就会迅速将航天员带离危险并安全返回地面。

盘点美俄载人火箭逃逸塔

联盟号系列运载火箭是苏联在东方号运载火箭基础上改进而来的，是俄罗斯目前唯一的载人运载火箭。联盟火箭很显著的特征就是顶部的逃逸塔，也多次让航天员死里逃生，对此后文会有详细介绍。

图1 联盟FG运载火箭

更早一些的N-1运载火箭，是苏联针对载人登月计划专门研制的火箭。出于当年美苏争霸的政治需要，N-1火箭研制过程较短、论证不充分，1969-1972年连续4次飞行均告失败，1974年项目最终不得不下马。虽然该火箭没有实际载人飞行过，但位于火箭顶部的逃逸塔清晰可见。

图2 N-1运载火箭

与之对应的是，美国宇宙神-D运载火箭是在宇宙神D导弹基础上改装而成，也是出于当时美苏争霸需要，为了尽快实现载人飞行任务而研制的。宇宙神-D在1959年成功完成了美国第一艘水星飞船的亚轨道试验，1962年发射了美国第一艘载人飞船，共飞行18次，6次失败。虽然美国逃逸塔外形与俄罗斯稍有差别，采用无飞船整流罩的逃逸塔方案，但其特征还是非常明显的。

图3 宇宙神―D运载火箭

“土星”系列运载火箭是美国航天局（NASA）专为登月任务而研制的火箭，包括土星-I、IB和V三种。其中土星-I为研究试验型火箭，用于“阿波罗”计划早期地球轨道飞行试验和发射探测卫星；土星-IB为改进过渡型，用于不载人、或载人“阿波罗”飞船地球轨道飞行试验；土星-V专为实现“阿波罗”飞船载人登月而研制，可以一次将3名航天员送入月球轨道。1969年7月21日，阿波罗11号登月飞船成功地在月球上软着陆，航天员阿姆斯特朗和奥尔德林踏上月球，人类载人航天和空间探索取得了重大突破。土星系列火箭仍然保留了逃逸救生系统，位于顶端的逃逸塔非常明显。

图4 土星―V运载火箭

虽然苏联和美国研制的航天飞机也是载人运载火箭，但由于没有配套的逃逸救生系统，经过实践后退出了历史舞台。能源号运载火箭是苏联为发射第一个重复使用运载器——暴风雪号航天飞机而专门研制的火箭，按照分别捆绑2、4、6个助推器形成暴风雨号、能源号、火神号系列运载火箭，实现运载能力的梯度优化。除能源号火箭成功飞行两次外，其余两种火箭均未飞行。

与此相对应，美国共研制了挑战者号、哥伦比亚号、发现号、奋进号和亚特兰蒂斯号等5架航天飞机，自1981年4月12日哥伦比亚号从佛罗里达州NASA肯尼迪航天中心首次发射开始，至2011年7月21日最后一次航天飞机任务——亚特兰蒂斯号在肯尼迪航天中心的主港着陆，共执行135次飞行任务，其中挑战者号和哥伦比亚号分别在上升段和再入段发生事故导致飞行失利，并且造成2次共14名航天员遇难牺牲。

图5 发射起飞的亚特兰蒂斯号航天飞机

一次成功的失败

北京时间2018年10月11日16时40分，俄罗斯联盟MS-10载人飞船在哈萨克斯坦所属的拜科努尔发射场，由联盟-FG运载火箭发射升空。此前联盟-FG运载火箭拥有无重大伤亡事故的发射记录，被认为是俄罗斯最可靠的载人火箭，这次发射也仅仅被认为是一次例行公事。但是发射时突发故障，任务失败，原计划前往国际空间站的两名航天员平安返回地面。这是自2003年哥伦比亚航天飞机失事以来，世界上又一次严重的、可能危及航天员生命的发射事故，因此，许多人对载人航天的安全性感到忧虑。

联盟号火箭系列是世界上历史最久、发射次数最多的多用途运载火箭。苏联首先设计了东方号运载火箭，后续又发展出了联盟号火箭；到现在为止，已经有了包括上升号、闪电号、联盟号、联盟U、联盟号U/伊卡尔、联盟号U/弗雷盖特、联盟号FG、联盟号2等10余个型号。

图6 早期的联盟号火箭系列

联盟号运载火箭起源于“东方号”火箭，它的第一种型号－－“上升号”自1963年首次发射到1976年，共成功发射了297次，失败13次。最先以“联盟”号为名发射的型号始于1966年，到1976年共发射了39次，其中失败2次。到2002年止，所有不同型号累加起来，联盟号系列火箭共发射了1041次，失败35次，成功率达96.75%。在1980年代初期，联盟号火箭的发射达到了最高峰，每年发射次数高达60次，成为当时世界上使用最频繁的火箭。

与一般的火箭级数定义稍有不同，联盟系列运载火箭把四台捆绑式助推器作为“第一级”，将与助推器一起点火的芯级称为“第二级”，将“第二级”脱落后点火送飞船入轨的称为“第三级”，联盟号的“第二级”和“第三级”对应一般定义中的第一级（芯一级）与第二级。其中，联盟号U和联盟号FG火箭的结构相同，全部采用液氧、煤油推进剂，主要用于发射载人/不载人货运飞船或军用照相侦察卫星，曾发射过上升号载人飞船、联盟号载人飞船、进步号货运飞船以及第2代宇宙号照相侦察卫星。在二级型火箭联盟号U/FG的基础上还可增加上面级，用于商业高轨道发射。

图7 联盟-FG运载火箭的结构简图

联盟号飞船是苏联设计的一款载人飞船，由第一特殊设计局（即科罗廖夫设计局，现隶属于科罗廖夫能源火箭航天集团）研制，采用一次性设计，可通过联盟号或质子号运载火箭进行发射。

该系列飞船自1960年代首飞以来，目前仍在使用之中。联盟号飞船是苏联继东方号飞船和上升号飞船之后，自行研制的第三款载人飞船，是目前世界上服役时间最长、发射频率最高，同时也是可靠性最好的载人飞船，其原设计目的是作为苏联载人登月计划中的地月往返工具。然而，由于苏联后来取消了登月计划，联盟号飞船的活动范围就此被限制于地球轨道。1991年苏联解体后，这款飞船的制造与发射转由俄罗斯联邦航天局掌握，任务也转变成主要负责对和平号空间站与国际空间站的人员运输、物资补给。2011年隶属美国国家航空航天局的航天飞机全线退役后，联盟号飞船就成为了剩下的唯一运输工具，能够让航天员往返于地面和国际空间站；直到2020年，才有SpaceX发射的载人“龙”飞船与国际空间站完成对接。

联盟号飞船的改进型号众多，其衍生出的其它航天器包括：探测器号、联盟号T、联盟号TM、联盟号TMA、联盟号MS及进步号货运飞船等。

故检逃逸系统立功

虽然2018年联盟号的这次发射任务失败，但两名航天员死里逃生，让联盟号火箭得以继续保持从未出现导致人员直接死亡事故的安全记录（当然，有部分航天员是在完成任务很久之后逝世的）。连同本次在内，它一共出现过3次严重的发射事故，另外两次分别发生于1975年和1983年，但所有的航天员均幸免于难。这得益于火箭内一系列精心设计的保护措施，包括紧急逃逸塔以及在本次事故中起到重要作用的自动分离和重返序列等。故检逃逸系统在发射全过程中都处于工作状态。

而被誉为神箭的中国载人火箭长征二号F型运载火箭，也是历次安全成功将航天员送入太空，同样有着故检逃逸系统全程保护航天员的安全。

运载火箭上为航天员逃逸而专门研制的系统有故障检测处理系统和逃逸系统。参与航天员逃逸的系统有控制系统、遥测系统和外测安全系统。故障检测处理系统有两个主要任务，一是检测火箭的重要参数，判断火箭故障，出现故障时向有关系统发出逃逸指令和终止飞行指令，由箭上的故障检测处理飞行软件负责实施这两项关键任务；二是逃逸时完成逃逸飞行器的时序控制和火工品配电，由箭上的逃逸程序控制软件负责逃逸时逃逸发动机点火及相关装置动作控制。逃逸系统的任务是当运载火箭抛整流罩前发生重大危险,威胁到航天员的生命安全时,负责使航天员脱离危险区，并为航天员的返回着陆提供必要的条件。

图8 CZ-2F火箭逃逸系统

逃逸系统的构成非常复杂，由五种固体发动机、整流罩的上半部分、支撑机构、栅格翼及其释放机构以及灭火装置等组成，它必须与其它正常飞行时所使用的系统协同工作才能完成逃逸任务。五种发动机分别是逃逸主发动机、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。前三种负责39千米高度以下、也就是火箭从点火到飞行120秒时的逃逸工作，后两种在39至110千米高度内，即火箭飞到120秒至200秒时发挥作用。

逃逸系统的结构由上半部整流罩、栅格翼及其释放机构、上下支撑机构等组成。上下支撑机构的主要功能是：一旦火箭出现应急故障需要逃逸救生时，上下支撑机构上的火工作动筒接到发火信号点火动作后,迅速将机构与飞船的可移动支点锁死，以实现逃逸系统外壳体与飞船返回舱及轨道舱间的刚性连接，这种刚性连接是实现逃逸救生的必要保证条件。而在正常飞行条件下，上下支撑机构与飞船是弹性支撑，即飞船与逃逸系统外壳体间可以有允许的间隙做相对运动。

逃逸飞行器是一个无控飞行器，根据逃逸飞行器气动特性设计，为了保证飞行器在整个逃逸飞行过程中保持稳定姿态，在逃逸飞行器底部四周需要设置4块稳定栅格翼。该栅格翼在火箭正常飞行状态下收靠在整流罩周围，一旦逃逸，4块栅格翼与整流罩的连接爆炸螺栓起爆解锁，栅格翼在弹簧推杆、气动力及过载惯性力的作用下迅速展开。为防止栅格翼展开时对整流罩冲击过大，同时又要将栅格翼展开后锁定在某一位置，每块栅格翼两侧安装有两个液压阻尼器，以实现阻尼和锁定双重功能。在保证栅格翼展开时间要求的同时，尽可能减少对整流罩的冲击。

逃逸系统共配备了5种类型的发动机共12台,其中逃逸主发动机1台，分离发动机1台，控制发动机4台，高空逃逸发动机4台，高空分离发动机2台。除高空分离发动机为选用产品外，其他几种发动机均专门为逃逸系统研制。逃逸主发动机、分离发动机、控制发动机和尾裙、配重段一起组成逃逸塔,为120秒前的逃逸提供动力。高空逃逸发动机、高空分离发动机安装在飞船整流罩上，完成从逃逸塔分离后到抛罩期间的应急逃逸任务。逃逸系统固体发动机的任务决定了这些发动机的特点,即：快速启动、推力大、工作时间短和高可靠性、安全性。

在逃逸系统的工作范围(起飞至整流罩分离)内，逃逸模式分为两种，即有塔逃逸模式(模式Ⅰ)和无塔逃逸模式(模式Ⅱ)。模式Ⅰ适用于火箭发射前30分钟～起飞后120秒，模式Ⅱ适用于火箭起飞后120秒～整流罩分离。在逃逸模式Ⅰ中，考虑到发射人员及地面设施的安全性，火箭飞行60秒前逃逸时火箭发动机不关机，60秒后逃逸时将终止故障火箭继续飞行。而逃逸模式Ⅱ则适用于逃逸塔分离至整流罩分离期间火箭出现重大故障时。在实际的飞行过程中，返回舱和逃逸飞行器可能存在两种分离模式，有逃逸塔分离的动力来源于逃逸塔上的分离发动机，无逃逸塔分离的动力来源于整流罩上的高空分离发动机。

回顾载人火箭逃逸事件，故检逃逸系统确实立了大功。2018年这次俄罗斯联盟号火箭出现问题时，正是在逃逸塔已经分离之后发生的，火箭故检系统检测到火箭发射重大故障后，火箭启动无逃逸塔的高空逃逸模式，飞船与火箭分离后使用降落伞返回地面。同样，1983年9月26日，当时一艘苏联“联盟T-10-1”飞船在准备发射升空时，火箭突然起火燃烧。情况万分紧急，就在满载燃料的火箭即将爆炸之前几秒钟，逃逸系统启动，逃逸塔将载人飞船带离危险区域并降落到安全地带，拯救了航天员的生命。1975年4月5日，苏联发射联盟-18飞船，准备与当时的礼炮号空间站对接，在近150公里的高空，火箭二级与三级分离不成功，偏离预定轨道，之后实施了逃逸程序，采用轨迹很陡峭的弹道式下降方式成功返回地球。

航天曲折前进路

在让人振奋的航天发射场面背后，其实有一条曲折的道路。世界航天发展并不是一帆风顺的，人类为探索太空付出了沉重的代价。

苏联：小数点的代价

苏联是第一个将航天员送入太空的国家，但曾因小数点的问题付出过血的代价。

图9 第一艘载人的联盟号飞船

1967年4月23日，苏联第一艘载人的“联盟”号飞船顺利发射，但飞船返回时高速撞向地面，航天员科马洛夫丧生。为什么会这样？原来，人们在地面检查的时候忽略了一个小数点，数据不准确，导致飞船在进入飞行轨道后出现了一系列故障——右侧太阳能电池帆板展不开，无线电短波发射器无法使用，飞船失控。当飞船返回到比珠穆朗玛峰略低一些的高度时，降落伞主伞、备用伞缠绕在一起无法打开，最终导致飞船以每秒百米的速度坠毁，航天员科马洛夫壮烈牺牲。

美国：一个泡沫碎块导致的爆炸

2003年2月1日，美国“哥伦比亚”号航天飞机重返大气层时与地面失去联系，不久后被发现在天空中爆炸解体，机上七名航天员全部遇难。

事后调查发现，由于航天飞机老化严重，发射时燃料箱外脱落的一个泡沫碎块，将航天飞机隔热瓦撞出了裂缝。虽然有航天工程师提出警告，但未受到重视。正是这个裂缝，导致在航天飞机返航时，超高温空气进入隔热瓦下部四处乱窜，最终造成航天飞机在返航途中解体坠毁。

图10 即将发射的哥伦比亚号航天飞机

探索太空虽然代价沉重，但人类从来没有停止脚步。“联盟”号飞船积累了几十年的经验，已成为最成熟的载人航天器，是目前除了中国神舟飞船外，唯一可以稳定作为天地往返交通工具的载人飞船；同样，美国在“哥伦比亚”号失事后提出了30项改进建议，包括航天员培训、飞行操作、航天器设计改进等，让后续的航天事业走得更稳，更安全。

作者：志愿者 张丽

在我们航天探索的过程中，一直秉承着“载人航天，人命关天”的要求，把安全永远放在第一位，这样我们才能站得更高，离天空更近。

责任编辑 卢瑜

作者： 钱航 马利

来源：天文爱好者杂志

2021 · 《天文爱好者杂志》7月刊~