航天员的安全气囊

北莫寒 编

2018年10月1 1日，搭载美俄两国航天员去往国际空间站的“联盟MS-10”飞船在发射过程中遭遇故障，飞船未能正常入轨，飞船和火箭装备的发射逃逸系统在故障发生后成功启动，使宇航员安全脱险。历史上，发射逃逸系统曾经多次在危急时刻力挽狂澜，挽救了宇航员的生命。

弹射座椅：保障能力很有限

1961年4月12日，苏联空军少校尤里·加加林乘坐“东方1号”飞船进入太空并安全返回，成为人类历史上的第一位宇航员。在返回地球时，加加林没有像今天的航天员一样乘坐在飞船座舱中落地。在距离地面7公里时，他与他所乘坐的弹射座椅被一同弹射出飞船座舱，之后加加林再像跳伞的飞行员一样，使用降落伞安全落地。

加加林使用的弹射座椅是一种装有动力装置的特殊座椅。一旦启动，座椅上安装的火箭或爆炸装置能够将座椅及其乘员快速推离飞行器。在“东方号”飞船的设计中，弹射座椅除了能帮助宇航员在飞行最后阶段返回地面外，在紧急情况下也能让宇航员尽快脱险。如果在发射后40秒之内发生险情，宇航员可以直接启动弹射座椅，与飞船分离并落地。如果在发射40秒至150秒的范围内发生险情，则需要地面控制人员先向火箭发送关机命令，等到飞船与火箭下落到合适的高度后才能启动弹射座椅。

弹射座椅对宇航员的保障能力是相对比较薄弱的。在发射前与发射开始后20秒，由于没有足够的高度打开降落伞，宇航员难以使用弹射座椅成功逃生。此外，如果飞行中的火箭发生爆炸，弹射座椅能否将宇航员带到距离火箭足够远的位置，也被一些专家怀疑。

逃逸塔：千钧一发立大功

在设计“联盟”系列飞船时，设计师们就已经认识到了弹射座椅系统的局限性。一旦已经完成燃料填充的火箭在发射台上爆炸，弹射座椅既不能将宇航员带离到距发射台足够远的安全距离，也无法保护宇航员不受爆炸产生的碎片伤害。为了应对这种极端情况，同时进一步提高飞船在发射各个阶段中的安全性，他们采用了新的逃逸塔方案来为飞船实施保护。

逃逸塔是一种小型固体火箭，安装在火箭顶端。一旦火箭发生危险，逃逸塔上的火箭发动机将点火，在短时间内产生较大的推力，将飞船拉离发生危险的火箭。为了在意外发生时能尽快撤离，设计师们在飞船和火箭上设置了针对探测推力不足、速度过低、火箭或飞船失控、助推器过早分离等一系列意外情况的探测器，一旦某个探测器探测到危险的发生，逃逸塔就将自动启动，无需人工干预。

1983年9月26日，发射。联盟T-lOa”飞船的火箭正静静矗立在拜科努尔发射基地的发射塔上。乘坐这艘飞船的两名宇航员在这次飞行中计划再访“礼炮4号”空间站，与已经在空间站上工作的“联盟T-9”飞船的船员一起，开展一系列试验和维护工作。

正当工作人员按照预定的时间表进行各项发射准备工作时，意外发生了。在火箭芯一级周围捆绑的四个助推器之中，一个助推器的燃料阀门出现故障，进而导致这个助推器的燃料管道意外破裂。已经填充进助推器的煤油燃料开始向发射台上泄漏，立即在发射台上引发了熊熊大火。此时，距离预定发射时间仅剩90秒，火箭中数百吨的燃料已经填充完毕。由于无法有效控制发射台上的火势，整个火箭发生爆炸仅仅是时间问题。

更可怕的是，在“联盟T-lOa”险情发生时，宇航员和地面控制人员震惊地发现，控制逃逸塔自动启动的线路可能已经被烧毁，必须使用备用的手动方式启动逃逸塔。然而，手动启动的流程十分冗杂，需要两名处于不同建筑中的控制人员，在各自接收到自己的上级独立发布的命令后，于5秒内相继按下自己的启动按钮。幸运的是，这个流程最终还是赶在火箭完全爆炸前得以执行完毕。逃逸塔启动时的强大推力使飞行员们承受了14 -17g（g为重力加速度）的过载，这意味着飞船施加在他们身体上的挤压推动力是他们体重的14-17倍。

就在逃逸塔将飞船带离火箭仅仅6秒后，发射塔上就发生了巨大的爆炸，由此产生的大火在整整20个小时后才得到控制。而逃离火箭的飞船则正确地执行了返回舱分离、抛防热底、减速发动机开机、降落伞打开等一系列动作，使得两名宇航员平安返回地面。有人感慨道，仅仅差6秒，苏联就有可能遭遇自己的“挑战者号悲剧”。

美国用于登月的“阿波罗号”飞船、正在研发的下一代“猎户座号”飞船，以及我国的“神舟号”飞船，也选择了逃逸塔作为逃逸工具。

整流罩逃逢发动机：此次立功的接力保护者

在美国的航天飞机停飞后，俄罗斯的“联盟号”飞船成为国际空间站唯一的天地往返载人运输工具。然而，在2018年10月11日， “联盟MS-10”飞船在飞行过程中却出现了意外。联盟火箭的助推器与芯一级分离后，完成工作的四个助推器本来应该像四瓣绽放的花瓣一样远离火箭。然而，通过“联盟MS-10”飞船的发射直播画面，人们惊讶地发现一些碎片和残骸在助推器分离后从火箭四周飞出，故障发生了。

此时，火箭已经起飞123秒，逃逸塔已经与火箭分离，帮助飞船脱险的重任转由包裹飞船的整流罩上布置的四台发动机来完成。整流罩上的四台发动机在1秒内相继启动后，飞船与火箭分开一定距离，以弹道方式返回地面。待命的搜救人员在返回舱落地后，很快将其找到并确认航天员没有受伤。

实际上，在逃逸塔最初投入使用后不久，设计人员就对整个逃逸流程进行了改进，设置了多重逃逸方式：在发射前至火箭起飞后约120秒，由逃逸塔提供逃逸动力。之后，逃逸塔与火箭分离，逃逸动力由包裹飞船的整流罩上的四台逃逸发动机提供。而在发射后约160秒，整流罩与火箭分离，这之后如果再出现险情，就只能依靠飞船自身的发动机了。

飞船发动机自动逃逸程序：脱险最后一招

1975年4月5日， “聯盟18A”飞船在发射过程中出现了另外一种险情：火箭的芯一级和第二级未能正常分离。

多级火箭的不同部分由一种被称为“爆炸螺栓”的装置连接。在芯一级火箭还在工作时，爆炸螺栓能够将芯一级和第二级牢靠地连接在一起。而当芯一级已经完成任务、需要从火箭上分离时，爆炸螺栓则会引爆内部填充的炸药将自己炸断，使分离能够进行。然而在这次任务中，连接一二级的6个爆炸螺栓中，仅有3个正常断开。虽然第二级的发动机按照程序正常点火，但在第一级仍然附着在火箭上的情况下，火箭开始偏离正常的飞行轨迹。

此时，距离火箭点火起飞已经过去288秒，逃逸塔和整流罩已经从火箭上分离，飞船已经越过分隔大气层和太空的“卡门线”，处于距离地面145公里的太空中。好在设计师们为这个阶段的飞行设计了最后一道保险——飞船自身发动机的自动逃逸程序。在正常飞行中，这些发动机本来用于飞船的变轨或返回等操作。而在这次事件中，当火箭的控制系统发生异常后，飞船的自动逃逸程序开始启动，飞船自身的发动机产生的动力使飞船与火箭分离并进入返回地面的弹道中。在此过程中，宇航员们经历了比“联盟T-lOa”更加严重的过载，最高时竞达到了21.3g。

飞船在返回地面后，落到了西伯利亚被积雪覆盖的山坡上。宇航员和控制人员很快利用无线电建立了通讯联系，但由于事发突然且飞船落地点荒无人烟，两位宇航员不得不在零下7摄氏度的严寒中忍受了一整夜，才等到救援直升机的到来。

自主逃逸系统：未来的保护神

2018年，NASA公布了即将进行下一代商业航天飞行的宇航员，而他们将乘坐的“SpaceX”龙飞船和“波音CST-100”飞船，都不再设置逃逸塔，而是采用了自主逃逸系统，可在整个飞行过程中通过飞船本身的发动机提供飞船与火箭分离、安全返回地面的功能。相比于使用逃逸塔的方案，这两种飞船的发动机还可以用于飞船的变轨等操作，实现了“一机多用”，从而在一定程度上减小了飞船系统的重量，还省去了发射过程中逃逸塔分离的环节，进一步增强了发射的可靠性。

以龙飞船为例，逃逸系统的动力来源于超级天龙座发动机。共有8台超级天龙座发动机，分为4组安装在飞船侧面的壁板上，每台发动机能够提供约71千牛的推力。在接到点火的指令后，这种发动机能够在短短100毫秒内达到最大推力状态。8台发动机之间还能互为冗余备份，在其中某些发动机出现问题时，依靠其他的正常发动机仍然能够保证宇航员们的安全，其冗余性能已经超过了NASA的要求。