科学好故事|如果火箭发射失败,宇航员该怎么逃离?

科学好故事|如果火箭发射失败,宇航员该怎么逃离?
2021年01月06日 10:15 新浪科技

  来源:Astronomy

  撰写:道格·阿德勒(Doug Adler)

  翻译:匀琳

  今天五月份,SpaceX设计制造的载人龙飞船搭载猎鹰九号火箭发射升空,带着两名宇航员道格·赫尔利和鲍勃·本肯奔向国际空间站。一时间,全球媒体争相报道。但是,一些精明的看客可能已经在飞船发射时注意到,载人龙飞船的头锥顶部没有传统的发射逃逸塔(LES)。

  那么,假如载人龙飞船发射失败的话,机上的宇航员们还有机会逃生吗?其他商业航天器又采用了怎样的发射逃逸系统呢?

  中止发射!

  发射逃逸塔最早由美国的机械工程师马西姆·费格特设计,并自上世纪六十年代以来使用至今。发射逃逸塔需要借助逃逸火箭(通常使用固体推进剂)快速将飞船推离即将爆炸的运载火箭。随后,逃逸火箭将飞船带到可通过降落伞降落的安全高度,最后再分离载人舱。

  双子座计划没有使用发射逃逸塔,而是采用了一个争议比较大的弹射座椅系统。该系统会在紧急情况下将宇航员从推进器上弹出。但是,水星计划和阿波罗计划的宇航员,以及俄罗斯的联合号和中国的神舟系列,都更加信赖发射逃逸塔。

SpaceX的载人龙飞船并未使用分离式的发射逃逸系统,而是将紧急逃生引擎直接内置在飞船中,以便随时逃离潜在危险。SpaceX的载人龙飞船并未使用分离式的发射逃逸系统,而是将紧急逃生引擎直接内置在飞船中,以便随时逃离潜在危险。

  SpaceX:载人龙飞船逃逸系统

  伊隆·马斯克的太空公司SpaceX拥有令人叹服的创新能力。在意识到载人飞船必须具备一个逃生系统后,SpaceX决定在发射逃逸系统上另辟蹊径。载人龙飞船的飞船船体自带八个SuperDraco引擎,且这八个引擎都未使用外部塔架。

  另一个创新是,SuperDraco引擎使用的是液体推进剂,与固体推进剂相比,会更加可控。这些可存储的稳定液体推进剂实为自燃剂一甲基肼和四氧化二氮,后者起到氧化剂的作用。这些推进剂无需外部点火源。两种自燃燃料接触后会自动点燃,进一步简化了引擎的设计——以及至关重要的是,可以让发动机自己重新启动。

  事实证明,使用自燃燃料的引擎非常可靠(阿波罗服务舱的引擎使用自燃燃料,登月舱的下降和上升引擎也使用的是自燃燃料)。为了证明该燃料也可用于载人龙飞船的载人飞行,SpaceX在2020年1月19日对他们的飞船进行了一次全面的发射中止测试,故意在发射过程中摧毁了一枚猎鹰九号火箭。

  蓝色起源:新谢泼德号和新格伦号逃逸系统

  蓝色起源是另一家私人太空公司,由亚马逊创始人杰夫·贝索斯投资创办。虽然发展不及SpaceX,但蓝色起源取得的进展仍不可忽视。该公司目前有两架飞船正在研发中:亚轨道运载火箭新谢泼德号和轨道运载火箭新格伦号。

蓝色起源的新谢泼德号飞船在2016年测试其逃逸系统。该系统内置于飞船中。新格伦号预计也会采用相似的系统。蓝色起源的新谢泼德号飞船在2016年测试其逃逸系统。该系统内置于飞船中。新格伦号预计也会采用相似的系统。

  如果在发射过程中发生紧急情况,新谢泼德号将使用一个小型固体火箭发动机,将载人舱推离火箭推进器。这个小型固体火箭发动机位于载人舱下方,由Aerojet Rocketdyne设计并测试成功。接着,在逃生时,载人舱可通过推力矢量控制系统进行操纵。一旦威胁清除,载人舱将会打开降落伞,以确保安全着陆。新格伦号飞船仍在研发中,但预期会使用一个和新谢泼德号上相似的逃逸系统。

  波音:CST-100星际航线逃逸系统

  世界上最大的民用和军用飞机制造商之一波音公司在过去几年中一直在研发自己的商用航天器系统——CST-100星际航线。虽然SpaceX和蓝色起源开拓了一些新的设计思路,但星际航线在外观上似乎走起了“复古风”,和阿波罗飞船指令舱有点相似。而阿波罗指令舱的设计已经得到验证。

  不过波音的星际航线也没有使用传统的发射逃逸塔,这倒是和SpaceX以及蓝色起源一致。与这一方案相反的是,星际航线的船体采用了四个液体燃料发射中止引擎。这四个引擎一起工作时,可以产生16万磅的巨大推力。它们与飞船的轨道操纵和姿态控制(OMAC)推进器协同工作,有助于正确定位载人舱,并使其在发射中止过程中保持稳定。一旦脱离推进器,服务舱和载人舱将分离,接着降落伞打开。在软着陆前,飞船还会释放掉隔热罩,并给外部安全气囊充气。

  维珍银河由英国亿万富翁理查德·布兰森创办。这家公司将人类送进太空的方式十分与众不同。这是一个全新的系统:一架地面起飞的母舰(白骑士二号)将子飞船(太空船二号)送到大约15000米的高度,然后将其释放;释放的太空船二号随后点燃自己的火箭引擎,继续攀升到亚轨道太空,最高飞行高度约110公里。

  但是在2014年10月31日,维珍银河的第二代航天器VSS Enterprise在脱离母舰并点燃自身火箭引擎之后突然解体。事故原因为制动系统过早部署,最终导致航天器在飞行过程中解体。

  机上飞行员彼得·希博尔德在不低于15000米的高空从即将解体的飞船上被弹出。弹出时,希博尔德仅穿着一件飞行服。幸运的是,在以超音速自由下落了一会之后,他成功地打开降落伞返回地面。尽管身受重伤,但希博尔德还是活了下来。他的副驾驶员迈克尔·奥尔斯伯里就没那么幸运了。

  目前,维珍银河尚未公开披露未来商用太空旅行的紧急逃生方案。

图为维珍银河太空船二号的一般飞行路线。图为维珍银河太空船二号的一般飞行路线。

  内华达山脉:追梦者太空飞机逃逸系统

  美国商业航天内华达山脉公司目前正在研发追梦者太空飞机。这是一架可重复使用的升力体太空飞机,与著名的波音X-20 Dyna Soar有些相似。根据工程师的设计,追梦者可在Atlas V或Vulcan-Centaur火箭顶部垂直起飞。

  目前,该太空飞机计划使用的发射逃逸系统的具体信息尚未确定。但是,有人推测该逃逸系统或许和NASA的HL-20太空飞机上使用的系统相似。HL-20使用集成的固体火箭发动机,以在紧急情况下,快速逃离危险的火箭推进器。但追梦者的逃逸系统又和基于降落伞的系统不太一样。追梦者的逃逸系统使用自身的空气动力形状,可在附近的跑道上滑行降落。

  解决方案不止一种

  值得一提的是,基于塔架的发射逃逸系统通常需要在载人舱顶部安装一个所谓的推进保护罩。然而,这个保护罩会在发射时限制宇航员的视线,一直到保护罩被释放。一般保护罩会在发射确认安全、塔架移除后释放。而SpaceX、蓝色起源以及波音等公司使用的集成逃逸系统则不会要求在航天器顶部安装这种保护罩。

  这些不同的发射逃逸系统表明,航天器紧急逃生系统的设计没有一个所谓的“最佳”方案。所有这些设计的思路都十分简单,就是为了让宇航员尽快逃离坠落的火箭推进器,然后安全地返回地面。

  需要说明的是,文中提到的所有商用航天器仍处于试验阶段——尽管载人龙飞船即将开始执行NASA的首个正式任务。在任何发射过程中,尤其是在载人试验飞船的发射过程中,一个值得信赖的逃生方案必不可少。

  NASA宇航员尼克·海格和俄罗斯宇航员阿列克西·奥夫金宁在2018年的亲身经历可以充分证明这一点。当时,由于飞行过程中火箭二级推进器解体,他们乘坐的联合号MS-10不得不中止发射。好在,他们船舱内的发射逃逸系统及时激活,并圆满完成使命:拯救宇航员的生命。

  因此,尽管火箭有时候可能会掉链子,但发射逃逸系统永远不会。

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