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纪念那些为航天献身的先辈——浅谈暴风雪航天
来源:     日期:2018-11-09 05:38    字体:【】【】【

  后天凌晨(2月7日)2:30分,重型猎鹰火箭将迎来首次发射尝试,究竟是炸平发射台还是成为现役运载火箭之王,后天凌晨就见分晓。航天发射结果的未知正代表着航天一直是一项极具风险和危险的事业,而载人航天更是“勇敢者的游戏”,如何在极端的航天事故中保护航天员的生命,似乎更是一个永恒的话题。

  大家好,今天是第13期(前12期详见网站连载),内容上临时跳过暴风雪号航天飞机的正常发展历程,专门讲下“暴风雪”航天飞机的防护、应急与逃生设计,为什么要专门讲这个呢?因为前几天天美国举行纪念活动,纪念阿波罗1号、挑战者号与哥伦比亚号遇难乘员组。

  航天事业向来都是高危高风险事业,其危险的发生,许多悲剧发生的原因都是那么的细微与微小!

  首先就说“阿波罗1号”(Apollo-1)起火事故,起火原因是:因为事故发生时,飞船正是处在地面测试阶段,因此飞船舱内设备安全并不完备,使得相关专家认为起火可能性极小,故安全人员配备并不完善。所以,在飞船导线短路的时候,其电火花引燃了舱内易燃物。由于舱内注满了纯氧,因而使舱内燃烧猛烈。再加上飞船的设计缺陷,使得救援人员在短时间内从舱里舱外都无法迅速打开舱门。

  和Apollo-1号事故类似,很多惨烈的航天事故都是因为对各种细节的漠视和忽略,美国东部时间1986年1月28日上午,“挑战者”号航天飞机发生爆炸事故。原因是“挑战者”号在发射升空时因其右侧固体助推器(SRB)的O型密封环失效,毗邻的外部燃料舱在泄漏出的火焰的高温烧灼下产生结构失效,最终导致高速飞行中的航天飞机在空气阻力的作用下于发射后的第73秒解体爆炸。

  其实本来这场事故本来可以避免。在发射前13小时,一位重要工程师向公司上级召开了电话会议,指出了上次“挑战者”号的发射由于O型环失效差点出事儿,但上级由于急着完成快捷而便宜的太空旅行,维持了继续发射的命令。在发射前30分钟,一架波音757客机报告了强气流的存在,但发射中心也没有注意。于是……

  2003年2月1日美国东部时间上午9时,“哥伦比亚”号航天飞机事故也是因为一个细节,在返回过程中出现事故。事故原因是航天飞机在升空过程中燃料储箱左侧脱落了一块隔热瓦,正好砸到左翼碳/碳复合材料面板下半部分,造成一个保龄球大小的破洞。而在在轨执行任务过程中,机组成员并未发现这一破洞,结果航天飞机在再入大气层过程中,高温气流从破洞涌入,使机翼结构熔化,导致机翼结构破坏最终全机解体。

  从这些调查报告所得出的结论可以看出:这些事故的根本原因都是人为因素!虽然在几次事故之后美国采取了各种措施来保障航天员的人身安全,以至于现在美国的新一代载人航天器的测试与使用标准变得极端严格(详见往期文章中有关LOC率,Lost of Crew的阐述)。过高的安全性要求使得“CST-100″,”载人龙”,“猎户座”飞船首飞前的相关验证工程变得“繁琐而漫长”,发射时间表也大幅度拖延!但是这也告诫我们:与其亡羊补牢,不如未雨绸缪!

  而苏联方面,也许在这方面比美国人做得更好些!(主要是牺牲的航天员数量相对少一些,没办法,谁让航天飞机一趟拉7个呢)不过与美国一样,都是建立在血的代价上的!

  众所周知,苏联早期的航天发展过程中,因为政治因素,导致“赶时间”情况如家常便饭,此外人为疏忽加上技术与制造水平等各类原因,也曾发生过2次非常惨痛的航天员牺牲事故!这就是“联盟-1”号与“联盟-11”号任务。

  1967年4月23日,“联盟1号”飞船在进入轨道后,左边的太阳能电池帆板没有打开,电源供电不足,无线电短波发射机没有工作。姿态稳定系统也受影响,飞船处于不规则运行之中。任务不得不提前结束,在飞船返回时开伞发生故障,引导伞未能拉出主伞,备份伞又因为主伞的阻碍无法打开。4月24日6时24分,飞船以每秒100多米的速度冲向地面,飞船上的唯一一名航天员科马罗夫当场被摔死。

  题外线号事故,我国之前中学初中语文教材第五册中有一篇极为煽情的文章,为此在语文教学网络上充满了对这篇文章的教学经验和心得,要求同学们认真学习文章中科马洛夫的爱国和科学精神。同学们年轻的心灵也深深地被科马洛夫地伟大情怀所感动。然而,却没人知道这篇文章是三流地摊文人所编造、彻头彻尾凭空捏造、毫无科学根据的大谎言!

  1971年6月29日下午9时,联盟11号飞船带着3名航天员离开礼炮1号空间站返回地球,但3人都未穿舱内航天服。6月30日1时35分,飞船按程序启动制动火箭。在再入大气层前,返回舱和轨道舱分离。但连接两舱的分离插头分离后,返回舱的压力阀门被震开,返回舱密封性被破坏,返回舱内的空气从该处泄漏,舱内迅速减压,致使三名没有穿舱内航天服的航天员因急性缺氧而在一分钟内死亡。事实上,当时苏联的设计人员对载人飞船的密封性过于自信,因此舍弃了可以应对急性失压事故舱内航天服,使得一次本不应该发生的事故最终演变成一场悲剧。

  除此之外,“联盟- 5”,”联盟-18a”,”联盟T-10A”事故都曾给苏联带去了惨痛的经验与教训。技术如此成熟的Soyuz(联盟)系列飞船都尚且能出现这么多的险情(据报道去年“联盟MS-02″飞船在返回时,返回舱再次遇到“联盟-11”号任务的相似故障——舱内失压,不过航天员在如今完备的防护措施下依旧顺利返回地面)。

  且当“挑战者”的失事后,更是那对于整体系统更加复杂的”暴风雪“号航天飞机,其安全设计就必然是—–重中之重!下面,就正式介绍”暴风雪“号航天飞机的安全逃生系统!

  首先“暴风雪”号航天飞机在研制过程中考虑了4种状态下机组人员的安全逃生途径:

  (4)航天飞机在轨飞行阶段,利用“联盟”TM(基于APAS-89对接系统)号救援飞船安全逃生;

  在发射前准备阶段,为了在极端情况下紧急撤离发射系统中的机组人员,预先设置了紧急撤离装置,该装置的密闭式逃生平台通向登机舱门,正常安排在点火升空前1分钟左右与登机舱门分离,并可在起飞前10-15s重新连接。紧急撤离装置的上部可通向登机平台,且通过2根套管与地面隔舱连:其中一根套管里配装有用于机组人员正常登机或返回的倾斜电梯,另一根套管里则是紧急撤离时使用的倾斜滑道(这算世界上最大的滑梯了)。紧急撤离装置如下图:

  一旦运载火箭发生故障,根据飞行阶段的不同,可采取机组人员弹射离机的方式进行逃逸,也可将航天飞机与运载火箭分离后通过滑翔和航天飞机上安装的AL-31航空发动机(首飞时其发动机安装方案并未最终确定,故未安装)的推动下自主(机组人员操控或着地面控制人员操控下)返回。

  当运载火箭在高于弹射区的空域与速度发生故障时,可采用航天飞机上安装的专用固体发动机(首飞时并未安装)与“能源”火箭应急分离的方式来挽救航天飞机与机组人员。当综合控制系统发现运载火箭完全故障时,其末级发动机关机,随后航天飞机与运载火箭分离,并保持稳定,借助自主飞行的方式安全着陆。但如果是在“挑战者”号这种极端事故情况下,可以进行弹射逃生。

  前文已经提到,当运载火箭完全故障时,为了紧急撤离人员,在某些飞行段中(特别是千钧一发之际)需要采用弹射方式。

  题外话:弹射逃逸方式是美国航天飞机所不具备的设计,但是在美国航天飞机的早期设计迭代中,也曾有过类似的设计,只不过没有落实到最终设计中,这也是航天飞机逃逸设计备受诟病的一个方面。

  航天飞机原计划安装的弹射救生系统,正副飞行员有单独的弹射座椅,其他乘员则依靠弹射救生舱逃生

  为了营救“暴风雪”号航天飞机的机组人员,在飞行设计实验阶段,由总设计师加伊.谢韦林领导的“星星”设计局在“性能良好”的K-36系列弹射座椅为基础上研制的K-36pb型零-零弹射座椅(零高度、零速度,Zero-zero ejection seat)。该弹射座椅能在较大的高度和速度范围内有效工作,即从处于发射状态或位于跑道上的“暴风雪”号直至速度达到3.5马赫且高度不超过35km的条件下进行弹射。(而美国方面,虽然在“挑战者”悲剧发生后强烈要求相关方面安装类似弹射座椅,不过,这项非原始设计的重大改动会给整体系统带来许多不必要的麻烦,而且别忘了,弹射座椅最多也只能装备4台,也就是驾驶室的4位航天员,而其他航天员难道就放弃?在伦理方面的相关讨论与系统设计方面的得不偿失使得修改方案一直停留在纸面上,直至退役)而苏联,虽然设计也只有2台弹射座椅,但是,其最大承载人员为4名,且原始设计就考虑到相关设计,所以苏联航天飞机也因此多了一种逃生手段。

  机组人员的弹射座椅为敞开式K-36系列,座椅的头靠两边设置有安全带和两个稳定伞箱,控制手柄前面为气动偏向器。弹射座椅的弹射速度约为800km/h,点火在驾驶室完成,然后沿一条朝上的弧形轨道上升后再降落,座椅的最大离地高度约为300m。但对于航天飞机而言,只有在着陆期间发生故障时才符合该弹射座椅使用条件。因为航天飞机起飞时,飞行前几秒与着陆时发生的故障,很可能伴随出现运载火箭失火和爆炸的情况。此时,机组人员应被弹射出足够的距离,即相对冲击波波峰压力和火灾影响的安全距离,在这种情况下,弹射轨迹必须达到足够的高度,使座椅飞过发射综合体的服务塔与机场。(不过如果发生哥伦比亚那样的事故,那真是神也救不了你,想象下,航天飞机里面包一个Soyuz飞船返回舱,然后整体弹射飞走?)

  “暴风雪”号的该座椅在实际飞行条件下进行了实验,在“进步飞船初始型38-42号(最后几艘初始型进步飞船)任务的头部整流罩(载人型“联盟”火箭逃逸塔位置空间)上安装了“暴风雪”号的弹射座椅。测试时间为:

  这5次测试是在”进步“的主动入轨段(规定高度不超过40km,过载不超过3.5G)进行的。结果达到预期目的。虽然它从未正式使用过(原因众所周知)但是它为后续载人航天的相关安全逃生系统的发展提供了宝贵经验,具有一定的借鉴意义!

  (4)航天飞机在轨飞行阶段,利用“联盟”TM(APAS-89对接系统)号救援飞船安全逃生

  如本文第一张首图所示:为配合”暴风雪“号航天飞机项目的救援需要,苏联曾对”联盟“号宇宙飞船进行过改型,目的是将其用作救援飞船。当”联盟“TM飞船作为救援机使用时,航天飞机的机组人员对于其为数不多的操作系统应烂熟于心。提出这一要求的原因是,在”暴风雪“号飞行试验阶段,计划在航天飞机无法离轨时,以及着陆系统发生故障的情况下,需要像”联盟“TM号这样的改进型救援飞船。

  该飞船系统与一般联盟飞船类似,最大的不同则是使用了能与航天飞机和”和平“号空间站”晶体“舱对接的APAS-89对接系统,该系统源自于美苏于1975年”ASTP”/”EPAS”(“联盟-“阿波罗”计划时采用的APAS-75对接系统的发展型号,后来美国航天飞机在1995年与“和平”号空间站对接时也是采用该技术系统,APAS-89对接系统基础上在延续下来的APAS-95对接系统,而ISS时期航天飞机的三个对接口,同样也是APAS系列对接系统,以后美国的“CST-100″,”载人龙“、猎户座飞船将采用更新的NDS对接系统(NASA Docking System),不过,还是有APAS的技术底子在,而中国自主的对接系统,则很大程度上也借鉴了APAS系列对接系统的设计思路。(毕竟”椎杆“对接系统的局限性还是过大)

  苏联先后制造了3艘”联盟“救援飞船,工厂编号为No.101(后来的“联盟”TM-16号),No.102,No.103(半成品阶段改成普通椎杆型联盟)。该系统原本预计在“暴风雪”第二次飞行过程中升空,测试计划如下:

  (1)”暴风雪“号第二次发射升空后,与”和平“号空间站”晶体“舱进行对接;

  (2)空间站人员进入”暴风雪“号内部,这将是”暴风雪“号第一次在太空中接待航天员,并测试第一次测试时未安装的机载机械臂以及相关系统;

  (4)当“暴风雪”号与”和平“号空间站分离后,No.101(后来的“联盟”TM-16号)(搭载2名机组人员)升空,与“暴风雪”号进行对接,且救援机组人员在“暴风雪”号工作一昼夜;

  (5)分离后,“暴风雪”号自动着陆,“联盟”救援飞船继续飞往“和平”号空间站与“晶体”舱进行对接(最后实际该计划就完成了地面起飞到对接“晶体”舱);

  1993年1月24日,该型飞船将一组航天员送上太空(后来的“联盟”TM-16号),不过随着“暴风雪”号计划的夭折,该计划也最终夭折。

  ”联盟“TM(APAS-89对接系统)救援飞船与”暴风雪“号航天飞机对接实施救援想象图

  个人生命保障系统主要是为全航天服提供生命保障功能。机组人员在执行发射,对接,分离和再入这样的关键任务时将穿戴“雨燕”舱内航天服。这套航天服是由“联盟”号宇宙飞船航天员穿戴的“索科尔”航天服改进而来。以适合弹射座椅配合使用。与美国航天飞机航天服不同的是,其航天服可以自动在遇到危险情况时开启密闭循环模式,且在轨发射紧急情况时也可以进行保护,而美国则没有。且与“索科尔”航天服一样,该航天服具备紧急条件下出舱转移的功能。

  该航天服穿戴时间为5分钟,如果空气泄露不太严重,“暴风雪”内的增压与减压系统可以提供充足的空气来维持此阶段氧气来保护机组人员。

  1990-1991年期间,测试工程师身穿该航天服达到18小时,期间12小时处于减压状态。测试结果良好。可惜,随着众所周知的原因,现在该航天服只能进入博物馆了。

  结尾:终于介绍完了,不过,这还只是简要的介绍。不过,就从生命保障系统中,就可以很直白的看出该系列“暴风雪”系列研制的复杂承担!生命可贵,努力宝贵!同志们,小编希望能从“暴风雪”的相关篇幅中对各位有些帮助与启示!

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