太空救援：載人航天必解的一道難題

文/遲惑

2023 年2 月24 日，俄羅斯聯盟MS-23 飛船發射升空，前往國際空間站。這不是一次普通的飛行，它是人類航天史上一次罕見的救援行動。它的前序飛船聯盟MS-22 此前作為返回工具和緊急情況下的救生飛船一直停靠在國際空間站上。但在2022 年12月，這艘飛船發生了嚴重的冷卻液泄漏事故，打亂了國際空間的活動計劃。聯盟MS-23 飛船此次是作為救援飛船發射升空的。

▲ 阿波羅13 號飛船的返回艙被打撈到船上

▲ 未來太空旅游發達之后，救援將成為一種剛需

幾十年來，載人飛行器的太空救援一直是眾人都很感興趣的話題。航天員、航空航天工程師、外交官、醫療和救援專業人員、發明家和科幻作家都有過自己的暢想。馬丁·凱丁1964 年的小說《被放逐者》講述了一個故事：如何營救被困在近地軌道上的航天員。太空救援也一直是科幻電視和電影中的主要內容，如《星際迷航》《星際之門》和《太空1999》，以及《火星任務》和《紅色星球》等。虛構故事中的救援充滿了戲劇性和困難，而在現實世界中，它有著更大的戲劇性和更大的困難。

到目前為止，載人航天所發生的事故還不算太多，其中只有阿波羅13號飛船給人們提供了救援的可能性，而且成功了。但是隨著載人航天的發展，特別是隨著商業載人航天的開展，太空救援恐怕將成為一個必須建立的行業。

法律基礎

太空救援作為一門學科仍處于初級階段。為了明確界定范圍，美國宇航局的一些研究中，把太空救援定義為：在太空飛行操作中，允許人員在危及人類生命的情況下進行救援或逃生的任何系統。這將跨越從起飛前到著陸后航天員離開飛行器的時間段。

《聯合國和平利用外層空間條約》第五條規定：“《條約》締約國應將航天員視為人類在外層空間的特使，并應在發生事故、遇險或緊急降落在另一締約國領土或公海時向他們提供一切可能的援助。航天員著陸時，應安全迅速地將他們送回其航天器的登記國。

“一個締約國的航天員在外層空間和天體上進行活動時，應向其他締約國的航天員提供一切可能的協助。

“條約締約國應立即將其在包括月球或其他天體在內的外層空間發現的任何可能對航天員的生命或健康構成危險的現象，通知條約其他締約國或聯合國秘書長。”

所以說，太空救援是屬于全人類的事業，并不僅僅是少數具備航天能力的國家。

▲ 阿波羅與聯盟飛船的對接，可以看作是空間救援的一種技術前奏

危險的太空飛行

太空救援需要關注，因為太空飛行目前比其他類型的飛行危險得多。所以，要不要考慮開發太空救援系統，引發了人們關于風險與成本的大討論。由于太空飛行的技術難度高，太空救援系統通常復雜、昂貴，也很難進行測試。載人航天飛行本身就很難了，研制一種救援系統就更加具有挑戰性。

所以很多人認為，應該把資金、技術和其他資源更多地用在提高載人航天系統的可靠性上，只要火箭、飛船或者空間站本身足夠可靠，就不需要救援系統了。他們的依據是，早年民航客機也是給乘客配降落傘的，但是如今，隨著民航客機可靠性的提高，已經不需要降落傘了。

為了給出確切的依據，美國宇航局約翰遜航天中心的安全與任務保障部（SMA）比較了不同類型飛行的相對危險性，提出了這樣的指標：

乘坐商業客機的死亡率是每100萬次飛行一人；

軍用飛機的死亡率是每10 萬次飛行一人；

軍用作戰飛機的死亡率是每1 萬次飛行一人；

載人航天飛行的死亡率是每100次飛行一人。

▲ 波音星際航線飛船的逃逸火箭設置與載人龍飛船近似

▲ 載人龍飛船的逃逸救生發動機

顯然，載人航天的風險明顯高于任何其他類型的飛行，專家對“不需要救援系統”的論點給出了有力的反駁。

載人航天飛行的這種高風險是由許多因素驅動的。技術的成熟度是一個主要因素。與商業或軍用航空相比，載人航天的歷史還不長，只經歷了幾代人的時間來提高可靠性。另外，為了達到第一宇宙速度，需要攜帶大量燃料和氧化劑，迫使空間系統設計滿足非常苛刻的條件，結構設計和推進效率竭力提高。例如，航天飛機外儲箱的外殼如果縮小到手持設備的尺寸，會比易拉罐還薄。航天飛機主發動機是人類有史以來生產的最高效的動力裝置之一。馬歇爾太空飛行中心前結構主管瑞安給出了幾個有趣的指標，幫助人們理解與太空發射相關的設計挑戰。他比較了幾種不同類型發動機的馬力/重量比，發現，如果汽車發動機用航天飛機相同的推進功率/結構重量比設計，那么它的重量只有1135克，大概比兩瓶礦泉水重一點。所以，太空飛行系統已經達到人類設計能力的極限了。

太空飛行環境中的很多危險，在大氣層內是不存在的。比如，許多材料在真空下的性能與在海平面壓力下的性能不同。而外空中會出現的極端溫度，在大氣層內也不會有。特別是在從全陽光照射過渡到全陰影時，在十幾厘米內有超過200 攝氏度的溫度梯度并不罕見。上升過程中，飛行器上的空氣動力學載荷可能很大，比如航天飛機升空過程中的空氣動力載荷在34000～38000 帕斯卡之間。再入過程中，空氣動力學載荷接近24000 帕斯卡，溫度變化達到1500 多攝氏度。這些環境特征是航天環境所特有的。另外，由于缺乏大氣防護，太陽輻射和微流星、軌道碎片等會造成獨特的環境危害，各種航天器的外窗和散熱器都曾經受到微流星體的沖擊損壞。

▲ 載人龍飛船的應急逃生地面實驗

實踐太少

認識和處理這些極端性能要求和危險環境，已經非常困難了，而對于航天工程師來說，從實踐中吸取經驗教訓、迭代設計的次數也不夠多。無論美國還是俄羅斯，載人航天器的研發進度都是比較慢的。在美國，設計和測試一種新型載人航天飛行器要花十幾年的時間，從理論到實踐再到理論的機會太少了。

航天工程師還面臨這樣一個事實，即使在開發新系統的罕見情況下，由于“組合環境”問題，也很難在實驗室對此類系統進行地面測試。幾乎不可能在一個設計上同時測試所有載荷因子的設計，因為它們在太空中應用。航天工程師通常被迫一次在一個載荷環境中觀察其設計的性能，無論是溫度、慣性載荷、空氣動力學載荷還是振動，然后通過計算機建模將載荷組合起來，以確定其設計的充分性。

▲ 美國第一架正式服役的航天飛機哥倫比亞號

與航空不同的是，航天飛行很難實施大規模集成測試。在航空器的研制中，飛機首先在較低的動壓和馬赫數下飛行，設計師們在這個過程中對飛機的性能進行監測。如果這個階段能順利完成，就會按照設計指標，逐步擴大飛行包線。這個循序漸進的過程可能要經過100 次試飛。但對航天系統來說，這基本上是不可能的。大多數航天系統都是在“要么全有要么全無”的環境中運行的。一枚新的火箭首次發射，就必須穿過整個飛行包線。第一架航天飛機在首次飛行60 秒時就達到了超音速，兩分鐘后進入了高超音速飛行。人們根本沒有機會從容查看數據，如果發生異常，也不可能把它召回基地檢查。雖然人們可以在地面上對某些空間環境進行模擬，但迄今為止，還沒有任何一種手段能完全、充分模擬空間飛行的全過程。這樣的困難，解釋了為什么這么多新的火箭系統在首次飛行嘗試中失敗。而在航空器研制中，幾乎從來不會發生這種事。

正因為航天飛行的復雜性與困難性，與航空器認證計劃不同的是，宇航系統通常在一兩次飛行后，就可以認為通過認證，可以投入使用了。而載人飛機一般要飛行上百次才能通過認證。宇航系統必須通過對性能的模型預測來進行大部分認證活動，然后通過有限飛行次數的飛行性能來驗證模型。

載人航天7 個主要階段的風險

載人航天飛行可以分為7 個主要階段，分別是發射前、上升、在軌、到達/停靠/離開另一個航天器、從非地球陸地表面下降和上升、艙外活動、再入地球大氣層。其中有幾個階段需要詳細解釋一下。在軌階段包括從進入軌道到返回大氣層的階段。在這個階段，載人飛行器可能從地球軌道轉移到另一個物體的軌道，比如月球、小行星或另一顆行星。所謂到達/停靠/離開另一個航天器，是通過軌道機動，與另外一個航天器對接、連接在一起，乃至離開。從非地球陸地表面下降和上升，指的是在外星球上的起降，包括月球、小行星或其他行星。

主要危險：

@發射前

由于系統故障、結構完整性損失、自然環境或推進相關故障而引起的火災或爆炸。

@上升

系統故障、失控、結構完整性喪失、自然環境引起的故障，推進相關故障。

@在軌

系統故障（爆炸、失去姿態控制、失去關鍵功能、有毒物質釋放）、自然環境危害（太陽輻射、微小流星軌道碎片）、航天員健康問題。

@到達/停靠/離開另一個航天器

與另一艘航天器碰撞、系統故障（爆炸、失去姿態控制、失去關鍵功能、有毒物質釋放）、自然環境危害（太陽輻射、微流星體碰撞）、航天員健康問題、偏離航線。

@從非地球陸地表面下降和上升

由于系統故障、推進故障或自然環境、偏離航線或表面撞擊而導致的起飛或著陸相關事故。

@艙外活動

航天服系統故障、航天服破洞、航天員健康問題、航天員與航天器的連接丟失（航天員漂流或系繩丟失）。

@再入

▲ 航天飛機的標準飛行流程，覆蓋了7 個救援階段

▲ 發射場救援可能要動用直升機轉移傷員

▲ 約翰遜航天中心消防隊的臂章

系統或結構故障，自然環境引起的故障、失控。

上面說的許多條目，對于所有飛行階段都是相同的。例如，生命關鍵型或任務關鍵型系統的故障可能發生在任何階段，并且可能是災難性的。航天系統工程師已經開發了諸如系統冗余之類的技術來避免這種困境。結構失效也會發生在所有階段。航天結構工程師需定義設計極限載荷并確保該載荷的安全系數，以防止在預期設計條件下發生故障。在許多方面，救援系統設計師的工作是考慮這些設計技術失靈場景下的設計解決方案。在許多情況下，為了設計出重量和性能方面具有可行性的方案，主系統的設計師必須考慮周全。例如，通常不可能設計出能夠承受最壞情況下流星體撞擊的結構，也不可能在最壞情況的太陽耀斑中保護航天員和生命關鍵系統。在大多數情況下，即使進行了徹底的飛行前醫學檢查，也不可能開發出一種能夠應對所有疾病的航天員醫療設施。對于這些很難評估和控制的風險，太空救援系統可以發揮作用。

階段 故障案例發射前 “阿波羅1 號”起火；“聯盟T-10”中止；“雙子星6 號”預發射中止；多次航天飛機發動機啟動后預發射中止。上升 “阿波羅12 號”遭雷擊；“聯盟18-1 號”上升過程中失控；“挑戰者號”爆炸；“哥倫比亞號”防熱瓦損壞；STS-51F 發動機關閉并中止進入軌道；STS-93 電氣短路。在軌 “雙子座8 號”推進器故障并失去控制；“阿波羅13 號”氧氣罐在登月途中爆炸；STS-2 和“和平號”上的燃料電池故障；“和平號”多次飛行中的醫療狀況。到達/停靠/離開另一個航天器 “和平號”與“進步號”相撞。從非地球陸地表面下降和上升 “阿波羅10 號”在練習著陸任務中上升失控。艙外活動 航天員頭盔起霧（“雙子星”、“和平號”）；航天員精疲力竭（“阿波羅”月球表面）。再入地球大氣層 “聯盟1 號”降落傘故障；“聯盟11 號”失壓；“哥倫比亞號”解體；“聯盟23 號”降落在結冰的湖中。

故障的歷史分布

《載人太空飛行中的災難與事故》一書對航天器事故和潛在事故做了統計，按上述7 個階段做了分類。

這導致了這樣一個結論，即盡管在飛行過程中發生事故的風險幾乎是一致的，但在上升和再入的飛行動態階段，致命事故的風險最大。這反映了航天行業的傳統觀點，“離發射場越遠，就越安全”。一旦航天器進入設計的穩定狀態，例如太空環境，出現嚴重故障的可能性就越小。值得注意的是，即使是太空環境中非常意外的故障里（“雙子座8 號”推進器故障、“阿波羅13 號”爆炸、“和平號”火災和碰撞），航天員和地面控制人員都能控制局勢，并將航天員安全帶回家。動態飛行階段的事故通常不會留出時間給人們反應，因此必須設計救援/逃生機制，并隨時準備響應。

▲ “阿波羅13 號”航天員返回地球，濺落在大海中

▲ “哥倫比亞號”最后一次飛行期間地面望遠鏡拍攝到的圖像

救援的成功率

在具有救援能力的空間系統中，航天員的生存概率可以通過以下公式計算：

人員生存概率=1-重大故障概率×救援失敗概率

從方程可以看出，從航天員生存的角度來看，救援系統的主要價值在于，它能夠實現更高的航天員生存概率，而不必把主要系統的可靠性提升到極端水平。可靠性通常是系統開發中的主要成本驅動因素。可靠性為99%的系統，通常比可靠性為90%的系統昂貴得多。如果要把系統可靠性從99%增加到99.9%，所增加的成本就更高。但是，如果把可靠性為90%的系統，和可靠性為90%的救援系統相結合，航天員的生存概率可以增加到99%。

▲ 獵戶座飛船的逃逸塔正在安裝過程中

當人們打算開發一種長任務壽命的航天器的時候，要不要考慮救援系統，就更加重要了。在長期在軌運行的航天器中，因為無法完全杜絕故障概率，所以出現問題的可能性是隨著任務周期延長而逐步積累的。而且，考慮單個部件或者組件的可靠性上限，系統可靠性也是有上限的。如果組件的故障率以故障/單位時間表示，則故障概率可以大概表達為右表。

從這個表格可以看出，在任務周期足夠長的情況下，即使是高可靠性部件，也很難做到不出故障。為了解決這樣的問題，航天界往往采用兩種方法：一種是冗余設計，另一種是航天器在軌維護。不過，如果需要更換的部件在地球上，而航天器所在位置遠離低軌道的時候，可能就會帶來更嚴重的問題。而且，在軌維護，特別是出艙維護，本身就是另一個高風險的來源。系統可靠性的終極目的是保證航天員安全。所以在這些情況下，如果擁有救援系統，那么就可以降低對系統可靠性的過高要求。

其實，發射過程中的可靠性計算也可以用來證明救援系統的必要性。比如說，多數火箭的可靠性指標很難達到載人航天的標準。美國宇航局曾經多次研究，用改進型一次性運載火箭(EELV)來發射載人飛行器。根據約翰遜飛行中心安全與任務保證部門的計算，截至2004 年初，EELV 火箭如果不做改進，可靠性在77%至96%之間。那么，如果擁有一種成功率為90%的逃逸救生系統，EELV 的航天員生存概率可以提高到91%至99.6%。

如果僅僅看到90%可靠性這個數字，似乎逃逸救生系統應該不會太難開發。然而，在飛行的許多階段，由于速度、高度和動壓的組合，逃逸救生系統是無法工作的。在“雙子星”和早期的航天飛機上，曾經為航天員逃生提供了彈射座椅，但是很多階段不能使用。在早期航天飛機飛行中，如果任務控制中心用無線電向航天員發出“負座位”信息，意味著速度和高度已經達到極限，不可能彈射。其實在軍用噴氣式飛機中，彈射座椅也只能在90%的情況下保證飛行員存活。

運行小時數 平均故障間隔500 小時系統的故障概率平均故障間隔1000 小時系統的故障概率250 0.394 0.221 500 0.632 0.394 1000 0.865 0.632 5000 0.99996 0.993 10000 1.0 0.99996

▲ 美國一度給航天員研制過彈射座椅，但是后來放棄了

上面所有困難，都導致了載人航天是人類最危險的飛行模式，在未來幾十年的時間里都是如此，所以有科學家指出，在載人航天的各個階段考慮救援，是很重要的。