現有的太空救援模式

文/錢衛

航天飛行是一種非常危險的飛行形式，具有合理可靠性的救援/逃生系統，可以大大提高航天員的生存能力。那么，救援系統可以在哪些情況下發揮作用呢？

▲ 聯盟飛船采用逃逸塔作為緊急救援手段

逃逸塔與滑翔返回

發射前和上升段的逃逸救生主要手段是逃逸火箭。它安裝在火箭頂部的逃逸塔里，或者是整流罩的側面。一旦發生事故，火箭將整個乘員艙從運載火箭里“拔”出去，然后拋掉整流罩，用飛船本身的降落傘著陸。

這類系統的設計要考慮兩個關鍵數據，首先是即將發生爆炸的預警時間，其次是爆炸危險半徑。大多數能發射載人飛船的火箭，都屬于大型火箭，攜帶了大量燃料，爆炸危險區很大。加上短到近乎不存在的預警時間，使得逃逸救生火箭的推力必須非常大，而且必須集中布置。所以，一般采用固體火箭來承擔這樣的任務。

航天飛機沒有逃逸火箭系統，但軌道器是有翼飛行器，為自救增加了新的選擇。這種類型的自救被稱為“完整中止”。這個概念是指，沒有完成計劃軌道任務，但航天飛機軌道飛行器和航天員還是安全降落在跑道上了。

這包括幾類具體情況：

第一種叫做“向軌道中止”（ATO）。在ATO 情況下，發生了發動機性能下降或停機。這兩種情況都發生在51-F號航天飛機任務中，當時使用兩個獨立的發動機。根據故障的性質，可能無法再使用可用的推進劑到達軌道，因此飛行器被引導到可實現的最佳軌道。一旦進入這一軌道，就可以制定一個計劃，使用軌道飛行器推進劑來完成任務，然后脫軌著陸。

第二種叫做一次性中止（AOA）。AOA 是發生了系統故障的情況，嚴重影響了航天員的生存能力。在上升過程中，如果軌道器上的所有冷卻功能或大氣壓力都喪失，航天員將先進入軌道，然后立即離軌，降落在美國西海岸，如愛德華空軍基地或新墨西哥州的白沙靶場。

還有另外兩種完整中止場景，是在發射后幾分鐘內就嘗試著陸。第一種是航天飛機主發動機在起飛后就停機了，但人們需要等兩個固體火箭助推器（SRB）燃盡之后，才能采取行動。因此，航天飛機要等到固體火箭燃盡脫離之后，才能滑翔飛回發射場。此前要把那個巨大的黃色外儲箱扔掉。這種被稱為返回發射場（RTLS）的完整中止模式，會讓航天飛機的許多部件經受最嚴酷的考驗，在實際飛行中從未發生過。

▲ 獵戶座飛船的應急返回過程

▲ 太空發射系統火箭逃逸塔的發動機噴管

▲ 航天飛機發射時，航天員的橙色發射逃生服在海上非常顯眼

還有一種是跨大西洋中止著陸（TAL）或東海岸中止著陸（ECAL）。在這些場景下，航天飛機已經無法獲得足夠的能量進入軌道，但已經飛得太遠，不可能返回卡納維拉爾角發射場。這時，航天飛機將前往歐洲、非洲著陸，如果條件允許，也可以嘗試降落在美國東海岸的某一條跑道上。

如果上述預案都無法執行，航天飛機因為推進系統故障無法到達任何一條跑道，航天員可以執行應急中止。在這種模式下，航天員以盡可能選擇理想的軌道滑翔，盡可能接近著陸場。抵達指定高度后，航天員執行自動程序，讓軌道器保持直線飛行。然后從側面艙門口彈出一根逃生桿，航天員通過滑梯爬到逃生桿上，然后跳傘。之所以不從艙門口直接跳傘，是為了防止出艙后與航天飛機再次碰撞，被撞個血肉橫飛。這種裝置是在“挑戰者號”事故后加裝到航天飛機上的。

航天員未必有機會在陸地上空跳傘，而且軌道器在海上迫降后，恐怕會當場解體，因此救援方案考慮到了航天員降落到海水中的情況。他們的橙色發射逃生服在海上非常顯眼，也具備漂浮能力。救援力量會在第一時刻趕到。

在軌救援

在過去幾十年時間里，人們設想了很多從軌道上緊急撤離的方案。其實從載人航天起步到現在的幾十年里，除了“阿波羅13 號”，幾乎沒有出過這類事故，但是研究者們仍然對這個話題樂此不疲。可能是人類無法忍受那種愛莫能助的感覺吧。

有一位叫馬克·韋德的研究者，在www.astronautix.com 網站上對這個主題進行過詳細介紹。他搜集了35個不同概念的細節。這些概念通常采用兩種范式。基于“救生艇”范式的軌道救援概念，通常歸結為一艘小型航天器。它可以充當救生艇，把航天員帶回家。另一種是“降落傘”范式的，一般只能救援一名航天員。它們一般采用充氣式或泡沫結構制成的可展開系統，用降落傘作為航天員返回的最后階段。不過，上述系統很難具備足夠結構強度來承受重返大氣層的空氣動力學載荷和熱量，也沒有足夠的能力來執行離軌機動，并在再入期間保持結構穩定。

如果在出艙活動期間發生了事故，比如航天員與航天器連接的系繩被切斷，那么就需要用反推系統把航天員推回去。為此，有人提出在航天員背上增加一個小型壓縮氮氣系統，配上控制裝置，航天員可以把自己推回空間站或航天飛機。有些航天服，比如航天飛機的航天服配備了推進系統，等于自帶救援能力了。

▲ 收藏在博物館中的“阿波羅13 號”返回艙

▲ “聯盟11 號”遇難的三位航天員

“自我救援”為主

到目前為止，載人航天發生過一些慘烈事故，但是留給人們去救援的機會并不多。無論是蘇聯“聯盟1 號”事故導致科馬洛夫遇難，還是“聯盟11 號”返回艙泄漏導致3 位航天員遇難，以及兩次美國航天飛機事故，致命傷害都是在瞬間發生的，并沒有救援的機會。

▲ “阿波羅13 號”事故的模擬圖

▲ “阿波羅13 號”推進艙發生事故后的外觀

真正發生了人員被困，然后通過天地協同實現救援成功的，其實只有“阿波羅13 號”一個案例。但是，隨著國際空間站和中國空間站的長期在軌飛行，以及未來商業空間站、繞月軌道空間站、月球科研站的建立，“阿波羅13 號”案例的價值越來越具有意義。這個案例向人們表明，如果一個航天器在太空發生故障，出動另一艘航天器去救援，困難是很大的。太空救援主要靠自救，然后才能討論其他航天器的救援。

能不能實施這樣的救援，是由遇險航天器和救援航天器的特性決定的。如果遇險航天器能夠在更長的時間內維持人類生命，救援任務就會更容易。救援航天器發射準備的速度越快，發射的限制（天氣、系統、軌道力學）越少，救援任務就越容易。

鑒于這些特征，當航天器遇險的時候，如果能與另一個帶有生命支持功能的工具對接，并且救援航天器可以快速完成準備工作、發射到與遇險航天器相同的軌道，就是最理想的救援場景了。

“阿波羅13 號”之所以能成功救援，是因為發生爆炸的指令艙與登月艙（另一艘航天器）對接在一起。登月艙可以長時間支持人員生存，然后航天員能夠利用指令艙的有限能力返回地球。盡管涉及兩艘航天器，但這仍然屬于“自救”的案例。

在近地軌道飛行中，航天器可以考慮對接空間站，來延長應急情況下的生存時間。不過，這種對接機會是受到軌道條件限制的。如果遇險航天器無法進入與空間站交會的軌道，那么就不可能采用這種救援方式。這種對接避險的模式在哥倫比亞號航天飛機失事后，受到了高度重視。