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载人飞船出了事怎么办?揭秘飞船逃生系统

2018-10-24 12:20 来源:科普中国-军事科技前沿 

  近日,MS-10飞船的失事吸引了很多人目光。唯一的好消息是,MS-10上的宇航员通过逃生系统将返回舱从火箭和飞船主体上分离,并成功地安全返回地面。那么,载人飞船作为安全率要求最高的人造飞行物,是怎么样设置逃生系统的呢?

载人飞船出了事怎么办?揭秘飞船逃生系统

图为发射前的联盟载人飞船(来源:俄罗斯航天局)

  逃逸塔和低空逃生

  火箭在进行发射载人飞船的任务时,除了某几个例外,都会安装逃逸塔。逃逸塔本质上就是安装在火箭顶端的一个小火箭,当火箭在发射中发生严重故障甚至起火爆炸时,逃逸塔能够把飞船的返回舱从火箭上分离,然后启动主发动机,把飞船从爆炸的火箭“拽出来”。

载人飞船出了事怎么办?揭秘飞船逃生系统

图为联盟-FG火箭,其前端的如同避雷针一样的结构就是逃逸塔(来源:俄罗斯航天局)

  事实上,这个装置看起来就像是变大的飞机弹射座椅,原理其实也是一样的。在低空,逃逸塔要做的第一步不是把宇航员带到地面,正相反,应该是带到更高的高空。因为只有在进入高空之后,飞船的返回舱才能分离。

  联盟飞船顶部的固体火箭将把整流罩和飞船一起带入高空,接下来飞船将会从底部脱离,并脱离高空返回使用的防热大底,然后启动降落伞和反推火箭。

  1983年9月26日,苏联准备发射联盟T-10-1飞船,然而在火箭点火后却发生故障,火箭主体被点燃,发射台则被燃烧放出的浓烟包围,此时联盟T-10-1飞船启动逃逸塔,并被带入高空离开即将爆炸的火箭。

  逃逸塔是传统载人火箭的宝贝,但是航天飞机和SpaceX公司的“龙”飞船并没有安装逃逸塔。而另一方面,逃逸塔在高空中并不能起到很大的作用,因此火箭发射之后不久就会抛弃逃逸塔。

  高空紧急返回技术

  若飞船进入高空之后出现故障,此时将进行的是高空紧急返回。

  任何飞船都要返回地球,而返回的路径通常有三种,分别是弹道式返回、弹道-升力式返回、滑翔式返回和跳跃式返回。在正常情况下的返回路径通常选择后面几种,因为他们相对而言更加安全、加速度更低,承受的摩擦热量可能也要较小。

  本次的联盟MS-10飞船事实上就是在抛离逃逸塔的情况下进行的一次高空返回。正常情况下,联盟飞船使用的是弹道-升力式返回,钟型的飞船结构让其在进入大气层时能够产生升力。因此,联盟飞船的正常下降轨道看起来更像是一个曲线,飞行时间更长,而宇航员所受到的加速度也较低。

载人飞船出了事怎么办?揭秘飞船逃生系统

图为联盟飞船的弹道式再入和正常再入的轨道图示,蓝色为弹道载入(来源:航天爱好者)

  而弹道式返回则顾名思义,联盟飞船会就像是一个炮弹一样落到地面,这种方式会有极高的重力加速度,对于宇航员来说很危险,但是在紧急状态下却很有效。与此同时,弹道式下降的另外一个问题是极其难以控制落点,飞船可能会落入森林或者山谷,在这种颠簸地形中,飞船可能会反复翻滚,造成二次受伤。

  1975年,联盟号T18a飞船也发生了事故,此时的T18a比MS-10的高度要高得多——高达145千米,而在这种情况下进行的一次紧急弹道式返回虽然成功的返回地面,但是宇航员却承受了高达21.3g的重力加速度——如此之高的g值足以让一个普通人瞬间死亡,不过万幸的是,T18a的两位宇航员只是受伤。

  龙飞船创新性的逃逸方法

  龙飞船是飞船中的特例,由于其拥有极其强大的飞船引擎,因此其不需要逃逸塔。如果在地面上或者低空时发生事故——尤其是在NASA所担心的燃料加注阶段,龙飞船的发动机将在1.2秒内将飞船加速至数百公里每小时的速度从火箭结构脱离。

  接下来的局面就像是一次普通的返回过程,龙飞船将启动降落伞,然后降落——优先是海面降落。

载人飞船出了事怎么办?揭秘飞船逃生系统

图为龙飞船(来源:SpaceX)

  这样的设计方案把轨道姿态调整引擎和逃逸引擎结合在一起,相当于省下了一个逃逸塔的重量。另一方面,飞船顶部由于没有逃逸塔的存在,气动外形被进一步优化,从而提高了运载火箭的有效运力。不过,这种新颖的模式是否可靠,仍然需要时间的检验。

  出品:科普中国

  作者:矛隼工作室

  监制:光明网科普事业部

[责任编辑:赵清建]

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