如果火箭發射失敗,宇航員該怎麼逃離?

今天五月份,SpaceX設計製造的載人龍飛船搭載獵鷹九號火箭發射升空,帶着兩名宇航員道格·赫爾利和鮑勃·本肯奔向國際空間站。一時間,全球媒體爭相報道。但是,一些精明的看客可能已經在飛船發射時注意到,載人龍飛船的頭錐頂部沒有傳統的發射逃逸塔(LES)。

如果火箭發射失敗,宇航員該怎麼逃離?

來源:Astronomy

撰寫:道格·阿德勒(Doug Adler)

翻譯:勻琳

那麼,假如載人龍飛船發射失敗的話,機上的宇航員們還有機會逃生嗎?其他商業航天器又採用了怎樣的發射逃逸系統呢?

中止發射!

發射逃逸塔最早由美國的機械工程師馬西姆·費格特設計,並自上世紀六十年代以來使用至今。發射逃逸塔需要藉助逃逸火箭(通常使用固體推進劑)快速將飛船推離即將爆炸的運載火箭。隨後,逃逸火箭將飛船帶到可通過降落傘降落的安全高度,最後再分離載人艙。

雙子座計劃沒有使用發射逃逸塔,而是採用了一個爭議比較大的彈射座椅系統。該系統會在緊急情況下將宇航員從推進器上彈出。但是,水星計劃和阿波羅計劃的宇航員,以及俄羅斯的聯合號和中國的神舟系列,都更加信賴發射逃逸塔。

如果火箭發射失敗,宇航員該怎麼逃離?

SpaceX的載人龍飛船並未使用分離式的發射逃逸系統,而是將緊急逃生引擎直接內置在飛船中,以便隨時逃離潛在危險。

SpaceX:載人龍飛船逃逸系統

伊隆·馬斯克的太空公司SpaceX擁有令人嘆服的創新能力。在意識到載人飛船必須具備一個逃生系統後,SpaceX決定在發射逃逸系統上另闢蹊徑。載人龍飛船的飛船船體自帶八個SuperDraco引擎,且這八個引擎都未使用外部塔架。

另一個創新是,SuperDraco引擎使用的是液體推進劑,與固體推進劑相比,會更加可控。這些可存儲的穩定液體推進劑實為自燃劑一甲基肼和四氧化二氮,後者起到氧化劑的作用。這些推進劑無需外部點火源。兩種自燃燃料接觸後會自動點燃,進一步簡化了引擎的設計——以及至關重要的是,可以讓發動機自己重新啟動。

如果火箭發射失敗,宇航員該怎麼逃離?

事實證明,使用自燃燃料的引擎非常可靠(阿波羅服務艙的引擎使用自燃燃料,登月艙的下降和上升引擎也使用的是自燃燃料)。為了證明該燃料也可用於載人龍飛船的載人飛行,SpaceX在2020年1月19日對他們的飛船進行了一次全面的發射中止測試,故意在發射過程中摧毀了一枚獵鷹九號火箭。

藍色起源:新謝潑德號和新格倫號逃逸系統

藍色起源是另一家私人太空公司,由亞馬遜創始人傑夫·貝索斯投資創辦。雖然發展不及SpaceX,但藍色起源取得的進展仍不可忽視。該公司目前有兩架飛船正在研發中:亞軌道運載火箭新謝潑德號和軌道運載火箭新格倫號。

如果火箭發射失敗,宇航員該怎麼逃離?

藍色起源的新謝潑德號飛船在2016年測試其逃逸系統。該系統內置於飛船中。新格倫號預計也會採用相似的系統。

如果在發射過程中發生緊急情況,新謝潑德號將使用一個小型固體火箭發動機,將載人艙推離火箭推進器。這個小型固體火箭發動機位於載人艙下方,由Aerojet Rocketdyne設計並測試成功。接着,在逃生時,載人艙可通過推力矢量控制系統進行操縱。一旦威脅清除,載人艙將會打開降落傘,以確保安全着陸。新格倫號飛船仍在研發中,但預期會使用一個和新謝潑德號上相似的逃逸系統。

波音:CST-100星際航線逃逸系統

世界上最大的民用和軍用飛機製造商之一波音公司在過去幾年中一直在研發自己的商用航天器系統——CST-100星際航線。雖然SpaceX和藍色起源開拓了一些新的設計思路,但星際航線在外觀上似乎走起了「復古風」,和阿波羅飛船指令艙有點相似。而阿波羅指令艙的設計已經得到驗證。

如果火箭發射失敗,宇航員該怎麼逃離?

不過波音的星際航線也沒有使用傳統的發射逃逸塔,這倒是和SpaceX以及藍色起源一致。與這一方案相反的是,星際航線的船體採用了四個液體燃料發射中止引擎。這四個引擎一起工作時,可以產生16萬磅的巨大推力。它們與飛船的軌道操縱和姿態控制(OMAC)推進器協同工作,有助於正確定位載人艙,並使其在發射中止過程中保持穩定。一旦脫離推進器,服務艙和載人艙將分離,接着降落傘打開。在軟着陸前,飛船還會釋放掉隔熱罩,並給外部安全氣囊充氣。

維珍銀河由英國億萬富翁理查德·布蘭森創辦。這家公司將人類送進太空的方式十分與眾不同。這是一個全新的系統:一架地面起飛的母艦(白騎士二號)將子飛船(太空船二號)送到大約15000米的高度,然後將其釋放;釋放的太空船二號隨後點燃自己的火箭引擎,繼續攀升到亞軌道太空,最高飛行高度約110公里。

如果火箭發射失敗,宇航員該怎麼逃離?

但是在2014年10月31日,維珍銀河的第二代航天器VSS Enterprise在脫離母艦並點燃自身火箭引擎之後突然解體。事故原因為制動系統過早部署,最終導致航天器在飛行過程中解體。

機上飛行員彼得·希博爾德在不低於15000米的高空從即將解體的飛船上被彈出。彈出時,希博爾德僅穿着一件飛行服。幸運的是,在以超音速自由下落了一會之後,他成功地打開降落傘返回地面。盡管身受重傷,但希博爾德還是活了下來。他的副駕駛員邁克爾·奧爾斯伯里就沒那麼幸運了。

目前,維珍銀河尚未公開披露未來商用太空旅行的緊急逃生方案。

如果火箭發射失敗,宇航員該怎麼逃離?

圖為維珍銀河太空船二號的一般飛行路線。

內華達山脈:追夢者太空飛機逃逸系統

美國商業航天內華達山脈公司目前正在研發追夢者太空飛機。這是一架可重復使用的升力體太空飛機,與著名的波音X-20 Dyna Soar有些相似。根據工程師的設計,追夢者可在Atlas V或Vulcan-Centaur火箭頂部垂直起飛。

目前,該太空飛機計劃使用的發射逃逸系統的具體信息尚未確定。但是,有人推測該逃逸系統或許和NASA的HL-20太空飛機上使用的系統相似。HL-20使用集成的固體火箭發動機,以在緊急情況下,快速逃離危險的火箭推進器。但追夢者的逃逸系統又和基於降落傘的系統不太一樣。追夢者的逃逸系統使用自身的空氣動力形狀,可在附近的跑道上滑行降落。

解決方案不止一種

值得一提的是,基於塔架的發射逃逸系統通常需要在載人艙頂部安裝一個所謂的推進保護罩。然而,這個保護罩會在發射時限制宇航員的視線,一直到保護罩被釋放。一般保護罩會在發射確認安全、塔架移除後釋放。而SpaceX、藍色起源以及波音等公司使用的集成逃逸系統則不會要求在航天器頂部安裝這種保護罩。

如果火箭發射失敗,宇航員該怎麼逃離?

這些不同的發射逃逸系統表明,航天器緊急逃生系統的設計沒有一個所謂的「最佳」方案。所有這些設計的思路都十分簡單,就是為了讓宇航員盡快逃離墜落的火箭推進器,然後安全地返回地面。

需要說明的是,文中提到的所有商用航天器仍處於試驗階段——盡管載人龍飛船即將開始執行NASA的首個正式任務。在任何發射過程中,尤其是在載人試驗飛船的發射過程中,一個值得信賴的逃生方案必不可少。

NASA宇航員尼克·海格和俄羅斯宇航員阿列克西·奧夫金寧在2018年的親身經歷可以充分證明這一點。當時,由於飛行過程中火箭二級推進器解體,他們乘坐的聯合號MS-10不得不中止發射。好在,他們船艙內的發射逃逸系統及時激活,並圓滿完成使命:拯救宇航員的生命。

因此,盡管火箭有時候可能會掉鏈子,但發射逃逸系統永遠不會。

來源:cnBeta