航天員的安全氣囊

北莫寒 編

2018年10月1 1日，搭載美俄兩國航天員去往國際空間站的“聯盟MS-10”飛船在發射過程中遭遇故障，飛船未能正常入軌，飛船和火箭裝備的發射逃逸系統在故障發生后成功啟動，使宇航員安全脫險。歷史上，發射逃逸系統曾經多次在危急時刻力挽狂瀾，挽救了宇航員的生命。

彈射座椅：保障能力很有限

1961年4月12日，蘇聯空軍少校尤里·加加林乘坐“東方1號”飛船進入太空并安全返回，成為人類歷史上的第一位宇航員。在返回地球時，加加林沒有像今天的航天員一樣乘坐在飛船座艙中落地。在距離地面7公里時，他與他所乘坐的彈射座椅被一同彈射出飛船座艙，之后加加林再像跳傘的飛行員一樣，使用降落傘安全落地。

加加林使用的彈射座椅是一種裝有動力裝置的特殊座椅。一旦啟動，座椅上安裝的火箭或爆炸裝置能夠將座椅及其乘員快速推離飛行器。在“東方號”飛船的設計中，彈射座椅除了能幫助宇航員在飛行最后階段返回地面外，在緊急情況下也能讓宇航員盡快脫險。如果在發射后40秒之內發生險情，宇航員可以直接啟動彈射座椅，與飛船分離并落地。如果在發射40秒至150秒的范圍內發生險情，則需要地面控制人員先向火箭發送關機命令，等到飛船與火箭下落到合適的高度后才能啟動彈射座椅。

彈射座椅對宇航員的保障能力是相對比較薄弱的。在發射前與發射開始后20秒，由于沒有足夠的高度打開降落傘，宇航員難以使用彈射座椅成功逃生。此外，如果飛行中的火箭發生爆炸，彈射座椅能否將宇航員帶到距離火箭足夠遠的位置，也被一些專家懷疑。

逃逸塔：千鈞一發立大功

在設計“聯盟”系列飛船時，設計師們就已經認識到了彈射座椅系統的局限性。一旦已經完成燃料填充的火箭在發射臺上爆炸，彈射座椅既不能將宇航員帶離到距發射臺足夠遠的安全距離，也無法保護宇航員不受爆炸產生的碎片傷害。為了應對這種極端情況，同時進一步提高飛船在發射各個階段中的安全性，他們采用了新的逃逸塔方案來為飛船實施保護。

逃逸塔是一種小型固體火箭，安裝在火箭頂端。一旦火箭發生危險，逃逸塔上的火箭發動機將點火，在短時間內產生較大的推力，將飛船拉離發生危險的火箭。為了在意外發生時能盡快撤離，設計師們在飛船和火箭上設置了針對探測推力不足、速度過低、火箭或飛船失控、助推器過早分離等一系列意外情況的探測器，一旦某個探測器探測到危險的發生，逃逸塔就將自動啟動，無需人工干預。

1983年9月26日，發射。聯盟T-lOa”飛船的火箭正靜靜矗立在拜科努爾發射基地的發射塔上。乘坐這艘飛船的兩名宇航員在這次飛行中計劃再訪“禮炮4號”空間站，與已經在空間站上工作的“聯盟T-9”飛船的船員一起，開展一系列試驗和維護工作。

正當工作人員按照預定的時間表進行各項發射準備工作時，意外發生了。在火箭芯一級周圍捆綁的四個助推器之中，一個助推器的燃料閥門出現故障，進而導致這個助推器的燃料管道意外破裂。已經填充進助推器的煤油燃料開始向發射臺上泄漏，立即在發射臺上引發了熊熊大火。此時，距離預定發射時間僅剩90秒，火箭中數百噸的燃料已經填充完畢。由于無法有效控制發射臺上的火勢，整個火箭發生爆炸僅僅是時間問題。

更可怕的是，在“聯盟T-lOa”險情發生時，宇航員和地面控制人員震驚地發現，控制逃逸塔自動啟動的線路可能已經被燒毀，必須使用備用的手動方式啟動逃逸塔。然而，手動啟動的流程十分冗雜，需要兩名處于不同建筑中的控制人員，在各自接收到自己的上級獨立發布的命令后，于5秒內相繼按下自己的啟動按鈕。幸運的是，這個流程最終還是趕在火箭完全爆炸前得以執行完畢。逃逸塔啟動時的強大推力使飛行員們承受了14 -17g（g為重力加速度）的過載，這意味著飛船施加在他們身體上的擠壓推動力是他們體重的14-17倍。

就在逃逸塔將飛船帶離火箭僅僅6秒后，發射塔上就發生了巨大的爆炸，由此產生的大火在整整20個小時后才得到控制。而逃離火箭的飛船則正確地執行了返回艙分離、拋防熱底、減速發動機開機、降落傘打開等一系列動作，使得兩名宇航員平安返回地面。有人感慨道，僅僅差6秒，蘇聯就有可能遭遇自己的“挑戰者號悲劇”。

美國用于登月的“阿波羅號”飛船、正在研發的下一代“獵戶座號”飛船，以及我國的“神舟號”飛船，也選擇了逃逸塔作為逃逸工具。

整流罩逃逢發動機：此次立功的接力保護者

在美國的航天飛機停飛后，俄羅斯的“聯盟號”飛船成為國際空間站唯一的天地往返載人運輸工具。然而，在2018年10月11日， “聯盟MS-10”飛船在飛行過程中卻出現了意外。聯盟火箭的助推器與芯一級分離后，完成工作的四個助推器本來應該像四瓣綻放的花瓣一樣遠離火箭。然而，通過“聯盟MS-10”飛船的發射直播畫面，人們驚訝地發現一些碎片和殘骸在助推器分離后從火箭四周飛出，故障發生了。

此時，火箭已經起飛123秒，逃逸塔已經與火箭分離，幫助飛船脫險的重任轉由包裹飛船的整流罩上布置的四臺發動機來完成。整流罩上的四臺發動機在1秒內相繼啟動后，飛船與火箭分開一定距離，以彈道方式返回地面。待命的搜救人員在返回艙落地后，很快將其找到并確認航天員沒有受傷。

實際上，在逃逸塔最初投入使用后不久，設計人員就對整個逃逸流程進行了改進，設置了多重逃逸方式：在發射前至火箭起飛后約120秒，由逃逸塔提供逃逸動力。之后，逃逸塔與火箭分離，逃逸動力由包裹飛船的整流罩上的四臺逃逸發動機提供。而在發射后約160秒，整流罩與火箭分離，這之后如果再出現險情，就只能依靠飛船自身的發動機了。

飛船發動機自動逃逸程序：脫險最后一招

1975年4月5日， “聯盟18A”飛船在發射過程中出現了另外一種險情：火箭的芯一級和第二級未能正常分離。

多級火箭的不同部分由一種被稱為“爆炸螺栓”的裝置連接。在芯一級火箭還在工作時，爆炸螺栓能夠將芯一級和第二級牢靠地連接在一起。而當芯一級已經完成任務、需要從火箭上分離時，爆炸螺栓則會引爆內部填充的炸藥將自己炸斷，使分離能夠進行。然而在這次任務中，連接一二級的6個爆炸螺栓中，僅有3個正常斷開。雖然第二級的發動機按照程序正常點火，但在第一級仍然附著在火箭上的情況下，火箭開始偏離正常的飛行軌跡。

此時，距離火箭點火起飛已經過去288秒，逃逸塔和整流罩已經從火箭上分離，飛船已經越過分隔大氣層和太空的“卡門線”，處于距離地面145公里的太空中。好在設計師們為這個階段的飛行設計了最后一道保險——飛船自身發動機的自動逃逸程序。在正常飛行中，這些發動機本來用于飛船的變軌或返回等操作。而在這次事件中，當火箭的控制系統發生異常后，飛船的自動逃逸程序開始啟動，飛船自身的發動機產生的動力使飛船與火箭分離并進入返回地面的彈道中。在此過程中，宇航員們經歷了比“聯盟T-lOa”更加嚴重的過載，最高時競達到了21.3g。

飛船在返回地面后，落到了西伯利亞被積雪覆蓋的山坡上。宇航員和控制人員很快利用無線電建立了通訊聯系，但由于事發突然且飛船落地點荒無人煙，兩位宇航員不得不在零下7攝氏度的嚴寒中忍受了一整夜，才等到救援直升機的到來。

自主逃逸系統：未來的保護神

2018年，NASA公布了即將進行下一代商業航天飛行的宇航員，而他們將乘坐的“SpaceX”龍飛船和“波音CST-100”飛船，都不再設置逃逸塔，而是采用了自主逃逸系統，可在整個飛行過程中通過飛船本身的發動機提供飛船與火箭分離、安全返回地面的功能。相比于使用逃逸塔的方案，這兩種飛船的發動機還可以用于飛船的變軌等操作，實現了“一機多用”，從而在一定程度上減小了飛船系統的重量，還省去了發射過程中逃逸塔分離的環節，進一步增強了發射的可靠性。

以龍飛船為例，逃逸系統的動力來源于超級天龍座發動機。共有8臺超級天龍座發動機，分為4組安裝在飛船側面的壁板上，每臺發動機能夠提供約71千牛的推力。在接到點火的指令后，這種發動機能夠在短短100毫秒內達到最大推力狀態。8臺發動機之間還能互為冗余備份，在其中某些發動機出現問題時，依靠其他的正常發動機仍然能夠保證宇航員們的安全，其冗余性能已經超過了NASA的要求。