從聯(lián)盟MS-10發(fā)射失敗說(shuō)起
——載人航天逃逸系統(tǒng)淺析

+ 張雪松

俄羅斯今年的航天發(fā)射數(shù)量，被中美兩國(guó)遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后，但10月11日，俄羅斯航天卻以另一種方式幾乎獨(dú)霸全球頭條：聯(lián)盟MS-10載人飛船發(fā)射失敗了！

幸運(yùn)的是雖然聯(lián)盟火箭出了大問(wèn)題，但載人飛船安全逃逸，飛船內(nèi)的兩名宇航員（一名美國(guó)人，一名俄羅斯人）平安著陸。

載人航天發(fā)射向來(lái)力求萬(wàn)無(wú)一失，這其中逃逸系統(tǒng)至關(guān)重要，并且這正是俄羅斯聯(lián)盟號(hào)飛船的看家本領(lǐng)。本次事故究竟是如何發(fā)生的？人類載人航天史上發(fā)生過(guò)多少次逃逸事件？載人航天發(fā)射有幾種應(yīng)急救生（逃逸）方式？本文中，我們將逐一介紹。

圖1 發(fā)射本次MS-10飛船任務(wù)的聯(lián)盟-FG火箭

驚心動(dòng)魄的緊急逃逸

讓我們先來(lái)回顧一下本次事件。

北京時(shí)間10月11日下午4時(shí)40分15秒，俄羅斯制造的聯(lián)盟-FG火箭從拜科努爾航天發(fā)射基地發(fā)射升空，將聯(lián)盟MS-10飛船送往國(guó)際空間站，值得一提的是，這次發(fā)射不僅是今年發(fā)射的第三艘聯(lián)盟號(hào)載人飛船，還要進(jìn)行快速交會(huì)對(duì)接，計(jì)劃在發(fā)射后6小時(shí)即抵達(dá)國(guó)際空間站。

火箭升空后1分54秒（114秒），火箭闖過(guò)了最大動(dòng)壓區(qū)，聯(lián)盟-FG載人火箭頂端的逃逸塔被拋棄，接下來(lái)又過(guò)了4秒，火箭的4枚助推器開(kāi)始分離。如果順利，四個(gè)助推器同時(shí)分離將在空中形成漂亮的十字形，這就是聯(lián)盟號(hào)系列火箭經(jīng)典的“科羅廖夫十字”，然而這次發(fā)射恰恰是助推器出了大問(wèn)題，4枚助推器中有一枚沒(méi)有正常分離，隨后反而撞上了火箭芯級(jí)！火箭芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)隨后關(guān)機(jī)，發(fā)射中止并啟動(dòng)應(yīng)急逃生程序，此時(shí)升空才2分03秒（123秒），而且火箭高度只有約50公里，可謂是上不著天下不著地，怎么辦？

飛得好好的火箭突然關(guān)機(jī)熄火，宇航員和地面人員都是膽戰(zhàn)心驚：火箭是否會(huì)爆炸？飛船能否及時(shí)與故障火箭分離？如果兩個(gè)答案都是壞的結(jié)果，那么后果將不堪設(shè)想。

幸運(yùn)的是，雖然火箭逃逸塔已被拋棄，但應(yīng)急救生系統(tǒng)啟動(dòng)后，聯(lián)盟號(hào)飛船及時(shí)順利分離成功，這讓大家松了一口氣。

飛船發(fā)射升空后2分40秒后，返回艙和飛船的其他部分分離，進(jìn)入拋物線彈道飛行。聯(lián)盟號(hào)包括神舟號(hào)飛船從太空返回，返回艙攻角適當(dāng)時(shí)升阻比大于0.1，屬于有升力的半彈道式飛行，通過(guò)滾動(dòng)控制改變升力方向控制軌道，可以降低返回過(guò)載、減小落點(diǎn)散布，但這次緊急逃生哪里顧得上飛船姿態(tài)，自然成了純彈道式再入，事后數(shù)據(jù)顯示過(guò)載可能達(dá)到了6.7g之多，雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于聯(lián)盟飛船前兩次應(yīng)急逃生時(shí)出現(xiàn)的14g-17g的高過(guò)載，但仍足以讓地面人員擔(dān)心宇航員的安危。飛船返回艙在低空打開(kāi)降落傘，最終飄落在哈薩克斯坦杰茲卡茲甘市以東20公里的地方，救援人員很快聯(lián)系上宇航員并迅速趕到，這時(shí)驚心動(dòng)魄的一幕才算化險(xiǎn)為夷。隨后，兩位宇航員被接回，從照片上看身體狀態(tài)還不錯(cuò)，并沒(méi)有明顯的受傷跡象。

圖2 聯(lián)盟火箭頂部像避雷針?biāo)频木褪翘右菟?/p>

逃逸系統(tǒng)屢立戰(zhàn)功

本次兩名宇航員平安返回，有驚無(wú)險(xiǎn)，發(fā)揮最關(guān)鍵作用的就是聯(lián)盟號(hào)火箭的應(yīng)急救生系統(tǒng)（SAS）。應(yīng)急救生系統(tǒng)最為人熟知的部分是火箭頂端的逃逸塔，也被形象的稱為逃逸系統(tǒng)。

圖3 參加本次飛行任務(wù)的俄羅斯宇航員阿列克賽·奧夫奇與美國(guó)宇航員尼克·黑格獲救后，和俄國(guó)家航天集團(tuán)公司總經(jīng)理羅戈津（中）合影

上得山多終遇虎，聯(lián)盟號(hào)火箭雖然發(fā)射成功率相當(dāng)出色，但也難以避免出現(xiàn)失敗。聯(lián)盟號(hào)飛船歷史上有兩次應(yīng)急逃逸經(jīng)歷，一次是1975年4月5日的聯(lián)盟18a發(fā)射。彼時(shí)，火箭發(fā)射后288秒已經(jīng)到達(dá)145公里的高空，但一二級(jí)分離失敗，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，隨后“噴”開(kāi)第一級(jí)，但火箭已經(jīng)偏離原有軌道，發(fā)射后第295秒制導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題，自動(dòng)激活中止程序隨后進(jìn)行飛船分離逃逸，這時(shí)逃逸塔和整流罩都已經(jīng)分離，高空逃逸靠的是聯(lián)盟號(hào)飛船自己的發(fā)動(dòng)機(jī)。飛船高速?gòu)椀朗教右菰偃氪髿鈱?，?dāng)時(shí)的兩位宇航員可就沒(méi)有這次的宇航員幸運(yùn)了，他們被折騰得夠嗆，分析認(rèn)為該次過(guò)載達(dá)到了15個(gè)g，甚至事后宇航員回憶稱，再入時(shí)的過(guò)載峰值恐怕有21.3個(gè)g，能活下來(lái)真是不容易，再次致敬這些宇航探索的英雄們！平安返回后，其中一名宇航員瓦西里·拉扎雷夫再也沒(méi)有上過(guò)太空，恐怕是身體在那次事故中遭受了不小的影響。話雖如此，總算保證了宇航員的生命安全，聯(lián)盟號(hào)飛船的應(yīng)急救生能力表現(xiàn)得可圈可點(diǎn)。

圖4 1983年9月27日聯(lián)盟T10a飛船緊急逃逸，現(xiàn)場(chǎng)觀看的軍官們肯定出了一身冷汗！

圖5 紅框內(nèi)為整流罩上的分離發(fā)動(dòng)機(jī)

1975年聯(lián)盟18a飛船事故的原因，和今年的聯(lián)盟MS-10事故情況截然不同，不過(guò)1983年9月27日的聯(lián)盟T10a事故，倒有些相似，都是由助推器引起，但情況更為驚險(xiǎn)。彼時(shí)，聯(lián)盟T10a飛船發(fā)射前90秒，火箭助推器增壓氮?dú)夤苈返囊粋€(gè)閥門失效，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵空轉(zhuǎn)過(guò)載然后煤油泄露了，結(jié)果引發(fā)了火災(zāi)！飛船內(nèi)的宇航員感覺(jué)到了振動(dòng)，但隔著整流罩他們看不到外面發(fā)生了什么，但就算知道了也只能干著急，宇航員并無(wú)法手動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急救生系統(tǒng)逃逸。更糟糕的是，地面控制室也遇到了問(wèn)題，他們發(fā)出了激活逃逸系統(tǒng)的指令，但控制電纜被發(fā)射臺(tái)上的大火燒得失效了！幸虧備用的無(wú)線電指令還能用，幾秒之后逃逸塔拉著飛船升空，飛船逃離后只數(shù)秒，燃燒中的聯(lián)盟號(hào)火箭就爆炸了！逃逸過(guò)程中，兩位宇航員承受了17個(gè)g的過(guò)載，而且時(shí)間長(zhǎng)達(dá)約5秒，所幸未危及他們的生命，最終飛船返回艙安全落在距離發(fā)射臺(tái)4公里外，這可是貨真價(jià)實(shí)的死里逃生，要比本次聯(lián)盟MS-10的逃生過(guò)程驚險(xiǎn)得多，也是人類航天史上，逃逸塔在實(shí)際載人發(fā)射任務(wù)中的唯一一次應(yīng)用。然而，應(yīng)急救生系統(tǒng)也有主動(dòng)“闖禍”的時(shí)候，1966年蘇聯(lián)聯(lián)盟號(hào)飛船的第二次無(wú)人飛行試驗(yàn)中，聯(lián)盟號(hào)火箭自動(dòng)中止發(fā)射后，應(yīng)急救生系統(tǒng)固體發(fā)動(dòng)機(jī)突然點(diǎn)火，結(jié)果引發(fā)全箭在發(fā)射臺(tái)上爆炸！

五花八門的應(yīng)急救生系統(tǒng)

載人航天是一個(gè)國(guó)家科技水平和軟實(shí)力的象征，美國(guó)總統(tǒng)肯尼迪就曾表示：“到達(dá)月球的是人而不是儀器，才能激發(fā)世界的熱情和夢(mèng)想”。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果不幸出現(xiàn)船毀人亡的事故，對(duì)國(guó)家形象、航天科技的發(fā)展及國(guó)民的信心來(lái)說(shuō)，打擊都是沉重的。為了提高宇航員的安全性，各國(guó)載人航天系統(tǒng)都準(zhǔn)備了應(yīng)急救生的預(yù)案。

俄羅斯聯(lián)盟號(hào)飛船一開(kāi)始就設(shè)計(jì)了應(yīng)急救生系統(tǒng)，并隨著需求的完善發(fā)展出多種型號(hào)。早期聯(lián)盟號(hào)火箭的應(yīng)急救生主要依靠逃逸塔，它用于發(fā)射前20分鐘到發(fā)射后100多秒內(nèi)的應(yīng)急救生逃逸，一旦出現(xiàn)危及宇航員安全的緊急情況，逃逸塔上的固體大推力發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)點(diǎn)火帶動(dòng)飛船分離。然而早期的應(yīng)急救生系統(tǒng)有個(gè)不小的隱患，如果故障發(fā)生在逃逸塔分離之前，可依靠逃逸塔逃生，如果發(fā)生在整流罩打開(kāi)后，飛船可以依靠自己的主發(fā)動(dòng)機(jī)分離逃生，但事實(shí)上，逃逸塔分離后還需要一段時(shí)間整流罩才分離，這期間要是出現(xiàn)異常，比如這次聯(lián)盟MS-10飛船的情況，那么宇航員只能聽(tīng)天由命了。

為了堵上這個(gè)救生空白區(qū)，聯(lián)盟7K-S飛船使用了改進(jìn)的應(yīng)急救生系統(tǒng)，不僅逃逸分離發(fā)動(dòng)機(jī)推力更大，還在整流罩上額外安裝了4臺(tái)分離發(fā)動(dòng)機(jī)（圖5），這樣從逃逸塔拋棄到整流罩分離這一小段時(shí)間的安全也有了保證。雖然這要付出增重的代價(jià)，但生命比什么都重要，只要火箭運(yùn)力足夠，這絕對(duì)是值得的！這一冗余設(shè)計(jì)也被我國(guó)的CZ-2F火箭繼承，我國(guó)神箭的應(yīng)急救生系統(tǒng)同樣包括逃逸塔和整流罩上的分離發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖6 雙子星飛船的彈射座椅試驗(yàn)。彈射座椅對(duì)火箭影響小，但使用高度低只是權(quán)宜之計(jì)

圖7 航天飛機(jī)早期裝有緊急逃逸固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（ASRM），但為了減重卻刪掉了，挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)的悲劇本可避免!

那么航天超級(jí)大國(guó)美國(guó)的應(yīng)急救生系統(tǒng)如何呢？美國(guó)發(fā)射水星飛船的水星-宇宙神火箭和發(fā)射阿波羅飛船的土星五號(hào)火箭也都使用了逃逸塔，水星計(jì)劃中還出現(xiàn)了人類第一次應(yīng)急救生逃逸——

1961年4月25日水星-宇宙神3任務(wù)中，美國(guó)打算用宇宙神火箭將水星飛船送入軌道，但升空后不到20秒火箭就失去控制，地面官員忍痛在起飛后42秒發(fā)出火箭自毀指令，同時(shí)逃逸塔拉著飛船分離，飛船最高達(dá)到7200米的頂點(diǎn)后下墜落入大西洋。當(dāng)然這次任務(wù)艙內(nèi)只有個(gè)模擬假人，沒(méi)有那么驚險(xiǎn)。

美國(guó)航天在應(yīng)急救生系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面有一些“另類”，美國(guó)的水星和阿波羅飛船之間，還有雙子星飛船，發(fā)射雙子星飛船的火箭居然沒(méi)有逃逸塔，這可怎么逃生呢？美國(guó)人的辦法是彈射座椅（圖6），但考慮火箭的速度和加速等影響，雙子星飛船彈射座椅實(shí)際上只能在5公里以下高度范圍內(nèi)使用，而無(wú)法提供整個(gè)發(fā)射段的應(yīng)急救生。幸好雙子星飛船沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)射事故。

不要以為這個(gè)荒謬的腦洞“下不為例”了，誕生于80年代的航天飛機(jī)上居然也沒(méi)有逃逸系統(tǒng)！航天飛機(jī)早期設(shè)計(jì)中裝有緊急逃逸固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（ASRM），但因研制過(guò)程中受到超重的困擾，后續(xù)改進(jìn)中居然刪掉了！

NASA樂(lè)觀地表示航天飛機(jī)固體助推器極為可靠，即使發(fā)射出現(xiàn)問(wèn)題也可以將航天飛機(jī)推到足夠的高度脫險(xiǎn)，也就不需要什么整體逃逸救生的設(shè)備了。當(dāng)然，真正的原因是減掉ASRM能讓軌道器減重3噸多，整架航天飛機(jī)更是減重44噸。

此外，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在第一次飛行實(shí)驗(yàn)時(shí)裝有彈射座椅（圖8），但只能在不高于24公里高度和馬赫數(shù)為4速度下使用，雖然比雙子星的彈射座椅大有提高，但也只覆蓋了航天飛機(jī)動(dòng)力飛行段的約1/5。但哥倫比亞號(hào)正式飛行時(shí)，彈射座椅方案仍被棄用，NASA還真是對(duì)自己的技術(shù)信心百倍！

然而，1986年挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)在發(fā)射后的第73秒由于固體助推器發(fā)生故障，最終導(dǎo)致空中解體，機(jī)上7名宇航員全部罹難。悲劇狠狠打了NASA的臉，事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，航天飛機(jī)解體后至少有部分宇航員還活著，他們是落到海面上被活生生摔死的，如果航天飛機(jī)設(shè)計(jì)沒(méi)有刪除逃逸火箭，這些宇航員們將有很大幾率能活下來(lái)！

圖8 航天飛機(jī)早期試飛的4次飛行裝有彈射座椅，但從第5次也就是正式任務(wù)開(kāi)始就沒(méi)有了

圖9 航天飛機(jī)彈射座椅的開(kāi)艙口仍然在，但彈射座椅正式飛行任務(wù)中已經(jīng)棄用，第22次飛行開(kāi)始干脆換成了工作座椅。

挑戰(zhàn)者號(hào)事故后，增強(qiáng)逃生能力的呼聲又一次高漲，NASA雖然進(jìn)行了很多軟硬件修改以提高安全性，但增加逃逸火箭因改動(dòng)太大還是被放棄了，美國(guó)航天飛機(jī)居然就這么繼續(xù)對(duì)付了17年。然而2003年，悲劇再次發(fā)生，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)返航再入大氣層時(shí)發(fā)生事故解體了，7名宇航員犧牲，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的觀眾在電視直播中目睹了這慘烈的一幕……這下美國(guó)人終于認(rèn)識(shí)到航天飛機(jī)設(shè)計(jì)方案在安全性上無(wú)可救藥，于是重回載人飛船路線，航天飛機(jī)2011年全部退役，新一代載人飛船都設(shè)計(jì)了應(yīng)急救生逃逸系統(tǒng)。

美國(guó)人對(duì)創(chuàng)新的追求似乎擁有不可理解的執(zhí)念，就算航天飛機(jī)的應(yīng)急救生系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致了兩次機(jī)毀人亡的慘劇，美國(guó)航天仍不甘心“走回頭路”。新一代載人飛船中，只有NASA的獵戶座飛船使用了傳統(tǒng)的逃逸塔設(shè)計(jì)，算是唯一的保守派。商業(yè)載人飛船包括波音公司研制的CST-100和SpaceX公司研制的載人龍，都將使用更新穎的推式逃逸系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的逃逸塔在飛船上方，緊急情況下拉著飛船逃逸脫離，而推式逃逸系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)在飛船上，一旦遇到緊急情況，將推著飛船快速脫離火箭。那么整流罩怎么處理呢？這兩種新飛船干脆沒(méi)有整流罩，可以說(shuō)把應(yīng)急救生系統(tǒng)精簡(jiǎn)到極致。這樣的推式逃逸設(shè)計(jì)沒(méi)有逃逸塔和整流罩的額外重量，也避免了逃逸塔分離和整流罩分離這些步驟帶來(lái)的可靠性問(wèn)題，同時(shí)保留了優(yōu)秀的應(yīng)急救生能力，做到了減重和救生兼得。推式逃逸設(shè)計(jì)系統(tǒng)理論上具有更高的可靠性，但究竟實(shí)際效果如何，恐怕還只能等待未來(lái)實(shí)際發(fā)射的檢驗(yàn)。