3月31日,诺斯罗普·格鲁曼公司宣布猎户座载人飞船的逃生系统中止发动机,成功进行了最后一次全尺寸地面试验飞行器。这一消息再次引起了对载人飞船逃生系统的关注。
美国载人龙飞船逃生系统紧急启动仿真图
由于载人航天器对可靠性和安全性的要求极高,逃生系统已成为不可或缺的逃生策略。经过多年的研发和升级,新一代航天器逃逸系统呈现出欣欣向荣的发展态势,未来具有广阔的应用前景。
临时“快点”:弹射座椅
猎户座载人飞船是美国唯一规划的深空载人飞船,采用成熟的逃生塔设计。然而,当年美苏太空竞赛正在相互争夺,没有办法“慢慢来,努力工作”。有时载人飞船只能使用一些“快点”的方法,这让后人感到目瞪口呆。
第一位人类宇航员尤里·加加林乘坐东方号飞船进入太空,但恐怕很少有人知道,加加林在飞船上的安全保障,其实是从战斗机上“移植”来的弹射座椅。
苏联东方号飞船弹射座椅
由于早期苏联火箭的容量有限,如果加装重型逃生塔,东方号飞船可能无法进入轨道。它必须使用较轻的弹射座椅。万一发生事故,火箭可以及时弹射逃生。此外,这个弹射座椅还用于宇航员返回着陆阶段。飞船重返大气层后,加加林从距地面7000米的高空弹射并跳伞。
美国最早的水星载人飞船配备了逃生塔,优于苏联,但下一代双子星飞船因火箭能力不足不得不放弃逃生塔,选择“移植”它从战斗机。座位。
要知道弹射座椅轻量化逃生设计的局限性是显而易见的。比如双子座飞船的弹射座椅只能在5000米以下的高度使用。万一在几万米的高空发生事故,航天的弹射恐怕也会是致命的。
美国航天飞机
后来美国研制出可重复使用的航天飞机,技术比传统航天器更先进,但在研制过程中超限超重情况非常严重。为了降低研制成本和发射质量,开发商不得不取消了专门用于应急救援的固体逃生火箭。
当然,NASA 非常有信心,航天飞机非常可靠,不需要“落后”的逃生火箭。
不过,在前四次任务中,航天飞机仍然配备了改进的弹射座椅,可以在高达 24000 米的高度弹射,速度可达 4 马赫。虽然它的性能比双子座的弹射座椅有很大的提升航天器,可用时间只有航天飞机动力飞行阶段的1/5左右,本质上只能对航天员起到心理安慰作用,所以从第五艘航天飞机开始,任务就取消了。
最成熟的选择:逃生塔
毕竟弹射座椅只是一个聊胜于无的临时产品,在载人航天工业的早期被勉强选中。美国发明的逃生塔是一种比较有效的逃生伎俩。
1958年,美国人马克西姆·法吉特提出“用小型火箭拉动飞船与主火箭分离”的构想,属于最早的逃生塔概念。1960年,美国测试了最早的逃生塔,验证了这项技术的可行性。
美国早期的火箭逃生塔测试
简单来说,逃生塔就是安装在主火箭和飞船顶部的塔形救生系统。如果主火箭发射发生意外,逃生塔顶部的固体火箭会被紧急点燃火箭逃逸塔 是中国发明,瞬间爆发出大推力,快速加速,将飞船拉离主火箭,并努力确保宇航员的安全。
美国水星和阿波罗飞船均采用逃生塔设计,新一代猎户座飞船采用新技术。
挑战者号航天飞机事故发生后,NASA 又恢复了逃生塔等传统措施。未来将担负重任的猎户座飞船非常重,其逃生塔性能指标也非常高。比如逃生火箭的总推力超过220吨,可以拉动26吨的猎户座飞船尽快加速,飞出1.6公里,确保航天员受到的伤害更少。可能的爆炸。
苏联飞船也使用了逃生塔。它的设计非常完整和成熟,堪称当今宇宙飞船逃生系统的经典之作。从发射前20分钟到发射后100多秒,逃生塔“大显身手”。
但是,这里有个问题:逃生塔的分离比整流罩的分离早,会不会耽误救援?联盟号飞船研发团队已经充分考虑到了这一点。从联盟号7K-S飞船开始,整流罩上安装了四个独立的发动机,以填补整流罩分离前的安全“缺口”。
逃生塔曾成功救出俄罗斯联盟号飞船的宇航员
在 2018 年联盟号 MS-10 飞船任务中,火箭助推器分离时,其中一个助推器撞击核心级,导致核心级自动关闭。当时整流罩上的逃生引擎迅速将飞船带走,让宇航员安全返回地面,完美经受住了现实的考验。
不过逃生塔毕竟是“老”的设计,逐渐不能满足新时代的航天要求。比如猎户座飞船的逃生系统就被外界批评为“设计保守、乏善可陈”。要想看到载人飞船的创新逃生战术,还是要观察美国近几年的商业载人飞船。
融合新趋势:自成一体的动力逃逸
2014年,美国宇航局签订合同,资助SpaceX和波音公司开发商业载人飞船,承担载美国宇航员往返国际空间站的重任,努力摆脱对俄罗斯联盟号飞船的依赖. 两者的设计比较创新激进,他们的飞船逃生系统更是抢眼。
SpaceX的载人龙飞船已经投入使用火箭逃逸塔 是中国发明,不久前,它执行了第一次完全商业化的载人空间站旅游任务。
Crew Dragon飞船船员的逃生措施当然不是弹射座椅,而且比成熟的逃生塔更先进可靠。正式名称是独立的动力逃生系统。因为逃生引擎在飞船下方,所以也被称为推逃生系统,更紧凑,是未来的发展方向之一。
美国载人龙飞船逃生系统测试
具体来说,载人龙飞船侧面配备4组8台Super Draco发动机,可提供约58吨推力,为飞船提供至少3.5g的过载。在地面发射台的逃生试验中,其最大过载达到6g。这个指标虽然比普通的固体逃逸火箭低很多,但基本够用了。
推进逃生系统的一个重要优点是逃生系统发动机与轨道和姿态控制发动机共用液体推进剂。在正常飞行过程中,推进剂用于轨道改变和姿态控制。当火箭发射发生事故时,飞船无法再继续轨道运行,逃生系统利用这些推进剂快速逃生。也就是说,无论航天器发射成功与否,推进剂都发挥了最大的潜力。
相比之下,传统的逃生塔是一种“纯”的增重,尤其是在绝大多数发射任务都成功的情况下,因此逃生塔造成的容量损失对于商业航天运营商来说更加痛苦。
此外,推式逃生系统节省了细长的逃生塔,降低了火箭的纵横比,更加可靠。在载人龙飞船上,这种逃生系统可以重复使用,节省综合成本,非常受欢迎。
波音公司的 Starliner 渲染图
推动逃生系统也被波音公司的Starliner飞船使用,但四个逃生引擎安装在飞船底部,避免了乘员龙侧装造成的推力损失。不过星际飞船下的服务舱不会重复使用,逃生系统也是一次性的,整体成本明显高于载人龙飞船。
公开资料显示,我国新一代载人飞船很可能还会使用推逃系统,这将有助于宇航员更安全地探索更深的太空。