有關(guān)地面緊急救援的設(shè)想

文/錢衛(wèi)

前文中提到的幾個(gè)太空救援模式及救援系統(tǒng)，要真正實(shí)施，都是需要具備一定條件的。比如，美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)執(zhí)行最后一次任務(wù)時(shí)，進(jìn)入了傾角為39 度的軌道，而國(guó)際空間站的傾角是51.6度，航天飛機(jī)就算用盡燃料，也只能改變傾角2 度。所以，當(dāng)時(shí)就算想讓“哥倫比亞號(hào)”上的7 位航天員去國(guó)際空間站避險(xiǎn)，也做不到。從某種意義上講，從地面應(yīng)急發(fā)射救援航天器，是一種更好的方式。

地面救援航天器的設(shè)計(jì)難度

這樣的航天器應(yīng)該隨時(shí)準(zhǔn)備好快速發(fā)射，對(duì)發(fā)射條件的要求低。所以，聯(lián)盟號(hào)系統(tǒng)是最好的選擇之一。因?yàn)轱w船和火箭都是在產(chǎn)型號(hào)，而且對(duì)天氣要求比較低，快速響應(yīng)發(fā)射能力比航天飛機(jī)要強(qiáng)得多。不過(guò)聯(lián)盟飛船一次只能載3 人，可能還要搭載一名救生員上天。雖然航天飛機(jī)已經(jīng)退役，但獵戶座飛船、載人龍飛船、星際航線飛船和中國(guó)新一代飛船在執(zhí)行低軌道任務(wù)時(shí)，都有載7 人的最大潛力。所以，救援7 個(gè)人的需求是存在的。如果遇險(xiǎn)航天器上有7 人，需要發(fā)射三四次“聯(lián)盟號(hào)”才能把他們?nèi)然貋?lái)。

▲ “哥倫比亞號(hào)”發(fā)生事故后，搜索人員搜集的殘片

▲ 兩架航天飛機(jī)相互救援的示意圖

美國(guó)在“哥倫比亞號(hào)”事故后，一度嘗試過(guò)地面救援預(yù)備的模式。發(fā)射任何一架航天飛機(jī)，都要讓另外一架航天飛機(jī)處在待命發(fā)射的狀態(tài)。但是，作為一種使用低溫燃料的飛行器，救援航天飛機(jī)很難像主任務(wù)那樣完全做好發(fā)射準(zhǔn)備，只能是部分準(zhǔn)備好。因此就存在一種計(jì)算方法，救援航天飛機(jī)從部分準(zhǔn)備到可以發(fā)射的最大時(shí)間間隔，不能超過(guò)遇險(xiǎn)航天飛機(jī)上的生命支持能力。如果遇險(xiǎn)航天飛機(jī)可以對(duì)接到國(guó)際空間站上，那么先要把航天員轉(zhuǎn)移到空間站里，然后把遇險(xiǎn)的航天飛機(jī)丟棄，讓它離開(kāi)空間站。救援航天飛機(jī)的發(fā)射準(zhǔn)備間隔，不能超過(guò)空間站的生命支持能力。當(dāng)然，這時(shí)候的空間站里可能有10 個(gè)人之多。

當(dāng)時(shí)按照美國(guó)宇航局專家的計(jì)算，即使在空間站避險(xiǎn)的場(chǎng)景下，聯(lián)盟飛船也比航天飛機(jī)更合適。首先，航天飛機(jī)的留軌時(shí)間只有14～19 天，而聯(lián)盟飛船的在軌壽命為6 個(gè)月。在國(guó)際空間站的日常運(yùn)行中，就是每6 個(gè)月發(fā)射一次新的聯(lián)盟飛船，輪換下來(lái)的航天員乘坐上一次飛來(lái)的聯(lián)盟飛船返回地球。如果充當(dāng)“救生艇”，那么聯(lián)盟飛船可以在45 分鐘內(nèi)啟動(dòng)，緊急返回。而且聯(lián)盟火箭的天氣適應(yīng)能力比航天飛機(jī)更廣泛。聯(lián)盟飛船作為救援飛行器，最大的問(wèn)題還是乘員數(shù)量太少。不過(guò)隨著航天飛機(jī)的退役，上面這種討論也失去了意義。

值得注意的是，當(dāng)需要多次飛行來(lái)營(yíng)救全體航天員時(shí)，整個(gè)航天員乘組的存活概率由如下公式?jīng)Q定：

全體存活概率=1-（1-主任務(wù)成功概率）（1-救援成功概率飛行次數(shù)）

如此看來(lái)，多次飛行必然會(huì)對(duì)單次飛行可靠性的更高要求，整個(gè)任務(wù)的復(fù)雜性也更高了。

更棘手的問(wèn)題是，救援航天器本身如何避免陷入危險(xiǎn)當(dāng)中。比如說(shuō)，一艘飛船因?yàn)檐壍浪槠淖矒舳チ苏９δ埽敲纯紤]到軌道碎片的特性，前來(lái)救援的飛船同樣處在碎片撞擊的風(fēng)險(xiǎn)當(dāng)中；如果再次被撞擊，會(huì)導(dǎo)致更多航天員處在危險(xiǎn)當(dāng)中。

如果救援航天器能夠接近遇險(xiǎn)航天器，那么是不是要和它對(duì)接呢？如果后者的姿態(tài)不曾失控，那么和它對(duì)接是可以實(shí)現(xiàn)的。但是，如果一個(gè)航天器在失控狀態(tài)下翻滾，對(duì)接要困難得多。

美國(guó)一度考慮過(guò)為國(guó)際空間站研制一種載7 人的應(yīng)急飛船，叫做“載人返回器”（CRV），編號(hào)X-38。在X-38 項(xiàng)目期間進(jìn)行的模擬表明，使用載人逃生型運(yùn)載工具從翻滾的航天器中逃生要比接近并與之對(duì)接容易得多。

▲ 試驗(yàn)期間的X-38 飛船

航天器上的大型附件，如太陽(yáng)能電池陣列、散熱器和天線，在翻滾時(shí)會(huì)“掃”出一個(gè)很大的空間。這個(gè)區(qū)域會(huì)成為救援航天器的“禁區(qū)”，不能前往。當(dāng)救援航天器接近具有復(fù)雜幾何形狀的翻滾航天器時(shí)，很難確定是不是有安全的路徑可以接近。因此，人們更傾向于讓航天員穿上艙外航天服，逃出翻滾的飛行器，然后用推力器向救援航天器靠近。

美國(guó)宇航局曾經(jīng)模擬過(guò)國(guó)際空間站救生，即使國(guó)際空間站以高達(dá)5 度/秒的速度翻滾，從底部的對(duì)接口逃生也不算太難。之所以把翻滾角速度設(shè)為每秒5 度，是考慮到國(guó)際空間站上的單個(gè)推進(jìn)劑罐一次性全部噴射完可能產(chǎn)生的后果。

X-38 的設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)在來(lái)說(shuō)說(shuō)這個(gè)X-38，也就是CRV。它是第一種專門設(shè)計(jì)的太空救援航天器，因此有必要研究其發(fā)展及駕駛要求，以了解未來(lái)任何太空救援系統(tǒng)的理想特性和原理。

1986 年“挑戰(zhàn)者號(hào)”事故發(fā)生后，人們對(duì)航天飛機(jī)的信心一落千丈。美國(guó)宇航局需要為設(shè)想中的自由號(hào)空間站考慮一種救生飛行器，稱為載人返回飛行器（ACRV）。ACRV 用于執(zhí)行三類基本任務(wù)：

第一，航天飛機(jī)軌道飛行器不在空間站時(shí)，如果航天員生病或受傷，將航天員送回。

第二，在空間站發(fā)生災(zāi)難性故障，無(wú)法維持生命，航天飛機(jī)軌道器不在空間站或無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)空間站的情況下，讓航天員返回。

第三，如果航天飛機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)為空間站提供補(bǔ)給或更換航天員，讓航天員返回。

在ACRV 的設(shè)計(jì)基線制定出來(lái)之前，美國(guó)宇航局已經(jīng)為自由號(hào)空間站設(shè)計(jì)了一個(gè)用于處理航天員健康緊急情況的機(jī)載醫(yī)療設(shè)施，制定了應(yīng)對(duì)空間站故障的“避風(fēng)港”能力基線。例如，“自由號(hào)”的艙段以橢圓形的“跑道”模式排列。這樣，任何一個(gè)艙段發(fā)生故障，人們還可以繞路前往其他艙段，并確保每個(gè)艙段都有兩個(gè)出口。各個(gè)分系統(tǒng)也是分布式的，任何艙段的失去，都不會(huì)中斷任何關(guān)鍵服務(wù)。

至于ACRV 的基線，是考慮到最惡劣的情況。不過(guò)，如果為“自由號(hào)”設(shè)計(jì)這么一艘完整的救生航天器，將大大增加成本。當(dāng)自由號(hào)空間站演變成國(guó)際空間站時(shí)，俄羅斯承諾在國(guó)際空間站的初始運(yùn)行期間用聯(lián)盟號(hào)飛船來(lái)充當(dāng)CRV。于是，美國(guó)宇航局很難再有經(jīng)費(fèi)分配給ACRV 了。

▲ X-38 從國(guó)際空間站返回的想象圖

▲ X-38 飛船的結(jié)構(gòu)

從1986 年到1995 年，美國(guó)宇航局先后實(shí)施了12 次不同的嘗試，來(lái)為ACRV 確定配置。雖然做了大量工作，但因?yàn)轭A(yù)算問(wèn)題，所有的嘗試都失敗了。在這期間，美國(guó)宇航局考慮了各種ACRV 的配置，從阿波羅型太空艙到雙錐飛行器，從升力體到小型航天飛機(jī)軌道飛行器，甚至考慮建造一個(gè)完整的航天飛機(jī)軌道器。

1995 年，美國(guó)宇航局啟動(dòng)了最后一次ACRV 項(xiàng)目嘗試，也就是X-38。按計(jì)劃，X-38 是帶有可分離推進(jìn)裝置的升力體。推進(jìn)裝置將推動(dòng)飛船遠(yuǎn)離國(guó)際空間站，并提供脫軌機(jī)動(dòng)。然后丟棄推進(jìn)裝置，升力體用航天飛機(jī)模式返回地球。不過(guò)接近地面的時(shí)候，要展開(kāi)一面大型翼傘，以便在各種沙漠地形上以低速和慢速下降著陸。

X-38 項(xiàng)目制造了模型，用B-52轟炸機(jī)攜帶，進(jìn)行了40 多次空投測(cè)試。其中還對(duì)升力體/翼傘組合進(jìn)行了8次自由飛行測(cè)試。在X-38 項(xiàng)目的最后一次飛行中，升力體在大約15000米高度模擬了從太空返回的CRV 彈道，并成功地在4500 米高度展開(kāi)翼傘，落點(diǎn)誤差只有45 米。

在項(xiàng)目取消時(shí)，打算用航天飛機(jī)搭載的太空試驗(yàn)飛行器已完成75%以上。項(xiàng)目取消后進(jìn)行的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)測(cè)試表明，X-38 可以滿足美國(guó)宇航局的航天飛機(jī)貨艙搭載飛行的要求，系統(tǒng)能夠完成運(yùn)載工具返回任務(wù)。在取消X-38 項(xiàng)目時(shí)，美國(guó)宇航局預(yù)計(jì)用15億美元就可以建造一支由3 艘X-38組成的救援隊(duì)。

X-38 有幾個(gè)技術(shù)上的創(chuàng)舉，除了世界上最大的翼傘和新型升力體外形，還包括：迎角和側(cè)滑的氣流數(shù)據(jù)系統(tǒng)，直接連接到飛行控制系統(tǒng)；用于從氣流數(shù)據(jù)系統(tǒng)計(jì)算迎角和側(cè)滑的“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)；激光點(diǎn)燃的煙火系統(tǒng)；用于全權(quán)飛行控制表面的機(jī)電致動(dòng)器；鼻蓋和身體襟翼的熱結(jié)構(gòu)；反作用飛行控制律；電磁式國(guó)際空間站對(duì)接機(jī)構(gòu)；適合空間飛行的鋰離子電池。

▲ X-38 從B-52 轟炸機(jī)上投放進(jìn)行空降實(shí)驗(yàn)

▲ X-38 從B-52 上投放的瞬間

▲ X-38 自由飛行的瞬間

X-38 雖然下馬了，但這是人類第一次設(shè)計(jì)專門用于救援/逃生的完整航天器。雖然它的技術(shù)未必能沿用到未來(lái)，但至少證明了，如果從零開(kāi)始設(shè)計(jì)救援航天器，應(yīng)該如何去考慮問(wèn)題。

醫(yī)學(xué)上的考慮

為了設(shè)計(jì)X-38，醫(yī)學(xué)界提出了大量的要求，比如：允許航天員不穿航天服操作，因?yàn)樗麄兛赡軟](méi)有時(shí)間也沒(méi)有能力穿上航天服；關(guān)鍵系統(tǒng)中的雙重容錯(cuò)；著陸誤差不超過(guò)10 千米，盡可能減少搜救時(shí)間；需要在陸地著陸，因?yàn)榫o急返回的航天員可能體力不支，在海洋環(huán)境中容易傷亡；要具備救護(hù)功能，允許受傷的航天員進(jìn)出，必須配備醫(yī)療設(shè)備，并在24 小時(shí)內(nèi)讓受傷的航天員得到護(hù)理；飛船上持續(xù)過(guò)載小于4g；可以容納7 名航天員，95%為美國(guó)男性；在一次飛行中救出全部航天員；能在各種姿態(tài)下與空間站分離，用時(shí)不超過(guò)3 分鐘；具備與地面的雙向通信能力；可以自主飛行，不需要航天員干預(yù)，因?yàn)樾掖娴暮教靻T可能沒(méi)有受過(guò)操縱飛船的訓(xùn)練；采用英語(yǔ)操作界面；使用壽命3 年，可用性95%。

在醫(yī)療設(shè)備方面，醫(yī)學(xué)界提出了以下條件：

CRV 應(yīng)為一名生病或受傷的航天員提供醫(yī)療生命支持，包括但不限于：通氣、除顫生理監(jiān)測(cè)、靜脈輸液治療和藥物治療服務(wù)。

CRV 急救醫(yī)療包包括：繃帶、設(shè)備和藥品；脈搏血氧計(jì)；靜脈輸液泵；抽吸裝置；2 升靜脈輸液；救護(hù)車包；CRV 硬裝醫(yī)療設(shè)備；AED 除顫器/監(jiān)護(hù)儀；呼吸機(jī)/呼吸支持包。

X-38/CRV 團(tuán)隊(duì)花了大量時(shí)間來(lái)保證，在金屬航天器艙內(nèi)對(duì)某人進(jìn)行心房除顫，不會(huì)對(duì)任何其他航天員造成危險(xiǎn)電流。

醫(yī)學(xué)界還確定了一個(gè)用于飛行期間和著陸后生存24 小時(shí)的物資包，包括7 名航天員的服裝、帳篷、衛(wèi)生用具和口糧。其中飲用水17.5 升，包括10.5 升液體負(fù)載和7 升飲用水。（液體負(fù)載是指讓航天員再入前喝大量的水，以防止他們回到地球重力環(huán)境中時(shí)血壓下降）。

▲X-38 飛船的內(nèi)部床位設(shè)置

▲X-38 用大面積翼傘返回著陸

太空救援作為一項(xiàng)技術(shù)能力尚處于起步階段。考慮到在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，載人航天很可能仍然是人類飛行中風(fēng)險(xiǎn)最大的一項(xiàng)工作，這一領(lǐng)域還需要做更多的工作。