+ 張雪松

俄羅斯今年的航天發(fā)射數量，被中美兩國遠遠甩在身后，但10月11日，俄羅斯航天卻以另一種方式幾乎獨霸全球頭條：聯盟MS-10載人飛船發(fā)射失敗了！

幸運的是雖然聯盟火箭出了大問題，但載人飛船安全逃逸，飛船內的兩名宇航員（一名美國人，一名俄羅斯人）平安著陸。

載人航天發(fā)射向來力求萬無一失，這其中逃逸系統(tǒng)至關重要，并且這正是俄羅斯聯盟號飛船的看家本領。本次事故究竟是如何發(fā)生的？人類載人航天史上發(fā)生過多少次逃逸事件？載人航天發(fā)射有幾種應急救生（逃逸）方式？本文中，我們將逐一介紹。

圖1 發(fā)射本次MS-10飛船任務的聯盟-FG火箭

驚心動魄的緊急逃逸

讓我們先來回顧一下本次事件。

北京時間10月11日下午4時40分15秒，俄羅斯制造的聯盟-FG火箭從拜科努爾航天發(fā)射基地發(fā)射升空，將聯盟MS-10飛船送往國際空間站，值得一提的是，這次發(fā)射不僅是今年發(fā)射的第三艘聯盟號載人飛船，還要進行快速交會對接，計劃在發(fā)射后6小時即抵達國際空間站。

火箭升空后1分54秒（114秒），火箭闖過了最大動壓區(qū)，聯盟-FG載人火箭頂端的逃逸塔被拋棄，接下來又過了4秒，火箭的4枚助推器開始分離。如果順利，四個助推器同時分離將在空中形成漂亮的十字形，這就是聯盟號系列火箭經典的“科羅廖夫十字”，然而這次發(fā)射恰恰是助推器出了大問題，4枚助推器中有一枚沒有正常分離，隨后反而撞上了火箭芯級！火箭芯級發(fā)動機隨后關機，發(fā)射中止并啟動應急逃生程序，此時升空才2分03秒（123秒），而且火箭高度只有約50公里，可謂是上不著天下不著地，怎么辦？

飛得好好的火箭突然關機熄火，宇航員和地面人員都是膽戰(zhàn)心驚：火箭是否會爆炸？飛船能否及時與故障火箭分離？如果兩個答案都是壞的結果，那么后果將不堪設想。

幸運的是，雖然火箭逃逸塔已被拋棄，但應急救生系統(tǒng)啟動后，聯盟號飛船及時順利分離成功，這讓大家松了一口氣。

飛船發(fā)射升空后2分40秒后，返回艙和飛船的其他部分分離，進入拋物線彈道飛行。聯盟號包括神舟號飛船從太空返回，返回艙攻角適當時升阻比大于0.1，屬于有升力的半彈道式飛行，通過滾動控制改變升力方向控制軌道，可以降低返回過載、減小落點散布，但這次緊急逃生哪里顧得上飛船姿態(tài)，自然成了純彈道式再入，事后數據顯示過載可能達到了6.7g之多，雖然遠遠低于聯盟飛船前兩次應急逃生時出現的14g-17g的高過載，但仍足以讓地面人員擔心宇航員的安危。飛船返回艙在低空打開降落傘，最終飄落在哈薩克斯坦杰茲卡茲甘市以東20公里的地方，救援人員很快聯系上宇航員并迅速趕到，這時驚心動魄的一幕才算化險為夷。隨后，兩位宇航員被接回，從照片上看身體狀態(tài)還不錯，并沒有明顯的受傷跡象。

圖2 聯盟火箭頂部像避雷針似的就是逃逸塔

逃逸系統(tǒng)屢立戰(zhàn)功

本次兩名宇航員平安返回，有驚無險，發(fā)揮最關鍵作用的就是聯盟號火箭的應急救生系統(tǒng)（SAS）。應急救生系統(tǒng)最為人熟知的部分是火箭頂端的逃逸塔，也被形象的稱為逃逸系統(tǒng)。

圖3 參加本次飛行任務的俄羅斯宇航員阿列克賽·奧夫奇與美國宇航員尼克·黑格獲救后，和俄國家航天集團公司總經理羅戈津（中）合影

上得山多終遇虎，聯盟號火箭雖然發(fā)射成功率相當出色，但也難以避免出現失敗。聯盟號飛船歷史上有兩次應急逃逸經歷，一次是1975年4月5日的聯盟18a發(fā)射。彼時，火箭發(fā)射后288秒已經到達145公里的高空，但一二級分離失敗，二級發(fā)動機點火，隨后“噴”開第一級，但火箭已經偏離原有軌道，發(fā)射后第295秒制導系統(tǒng)發(fā)現了這個問題，自動激活中止程序隨后進行飛船分離逃逸，這時逃逸塔和整流罩都已經分離，高空逃逸靠的是聯盟號飛船自己的發(fā)動機。飛船高速彈道式逃逸再入大氣層，當時的兩位宇航員可就沒有這次的宇航員幸運了，他們被折騰得夠嗆，分析認為該次過載達到了15個g，甚至事后宇航員回憶稱，再入時的過載峰值恐怕有21.3個g，能活下來真是不容易，再次致敬這些宇航探索的英雄們！平安返回后，其中一名宇航員瓦西里·拉扎雷夫再也沒有上過太空，恐怕是身體在那次事故中遭受了不小的影響。話雖如此，總算保證了宇航員的生命安全，聯盟號飛船的應急救生能力表現得可圈可點。

圖4 1983年9月27日聯盟T10a飛船緊急逃逸，現場觀看的軍官們肯定出了一身冷汗！

圖5 紅框內為整流罩上的分離發(fā)動機

1975年聯盟18a飛船事故的原因，和今年的聯盟MS-10事故情況截然不同，不過1983年9月27日的聯盟T10a事故，倒有些相似，都是由助推器引起，但情況更為驚險。彼時，聯盟T10a飛船發(fā)射前90秒，火箭助推器增壓氮氣管路的一個閥門失效，發(fā)動機渦輪泵空轉過載然后煤油泄露了，結果引發(fā)了火災！飛船內的宇航員感覺到了振動，但隔著整流罩他們看不到外面發(fā)生了什么，但就算知道了也只能干著急，宇航員并無法手動啟動應急救生系統(tǒng)逃逸。更糟糕的是，地面控制室也遇到了問題，他們發(fā)出了激活逃逸系統(tǒng)的指令，但控制電纜被發(fā)射臺上的大火燒得失效了！幸虧備用的無線電指令還能用，幾秒之后逃逸塔拉著飛船升空，飛船逃離后只數秒，燃燒中的聯盟號火箭就爆炸了！逃逸過程中，兩位宇航員承受了17個g的過載，而且時間長達約5秒，所幸未危及他們的生命，最終飛船返回艙安全落在距離發(fā)射臺4公里外，這可是貨真價實的死里逃生，要比本次聯盟MS-10的逃生過程驚險得多，也是人類航天史上，逃逸塔在實際載人發(fā)射任務中的唯一一次應用。然而，應急救生系統(tǒng)也有主動“闖禍”的時候，1966年蘇聯聯盟號飛船的第二次無人飛行試驗中，聯盟號火箭自動中止發(fā)射后，應急救生系統(tǒng)固體發(fā)動機突然點火，結果引發(fā)全箭在發(fā)射臺上爆炸！

五花八門的應急救生系統(tǒng)

載人航天是一個國家科技水平和軟實力的象征，美國總統(tǒng)肯尼迪就曾表示：“到達月球的是人而不是儀器，才能激發(fā)世界的熱情和夢想”。反過來說，如果不幸出現船毀人亡的事故，對國家形象、航天科技的發(fā)展及國民的信心來說，打擊都是沉重的。為了提高宇航員的安全性，各國載人航天系統(tǒng)都準備了應急救生的預案。

俄羅斯聯盟號飛船一開始就設計了應急救生系統(tǒng)，并隨著需求的完善發(fā)展出多種型號。早期聯盟號火箭的應急救生主要依靠逃逸塔，它用于發(fā)射前20分鐘到發(fā)射后100多秒內的應急救生逃逸，一旦出現危及宇航員安全的緊急情況，逃逸塔上的固體大推力發(fā)動機就會點火帶動飛船分離。然而早期的應急救生系統(tǒng)有個不小的隱患，如果故障發(fā)生在逃逸塔分離之前，可依靠逃逸塔逃生，如果發(fā)生在整流罩打開后，飛船可以依靠自己的主發(fā)動機分離逃生，但事實上，逃逸塔分離后還需要一段時間整流罩才分離，這期間要是出現異常，比如這次聯盟MS-10飛船的情況，那么宇航員只能聽天由命了。

為了堵上這個救生空白區(qū)，聯盟7K-S飛船使用了改進的應急救生系統(tǒng)，不僅逃逸分離發(fā)動機推力更大，還在整流罩上額外安裝了4臺分離發(fā)動機（圖5），這樣從逃逸塔拋棄到整流罩分離這一小段時間的安全也有了保證。雖然這要付出增重的代價，但生命比什么都重要，只要火箭運力足夠，這絕對是值得的！這一冗余設計也被我國的CZ-2F火箭繼承，我國神箭的應急救生系統(tǒng)同樣包括逃逸塔和整流罩上的分離發(fā)動機。

圖6 雙子星飛船的彈射座椅試驗。彈射座椅對火箭影響小，但使用高度低只是權宜之計

圖7 航天飛機早期裝有緊急逃逸固體火箭發(fā)動機（ASRM），但為了減重卻刪掉了，挑戰(zhàn)者號航天飛機的悲劇本可避免!

那么航天超級大國美國的應急救生系統(tǒng)如何呢？美國發(fā)射水星飛船的水星-宇宙神火箭和發(fā)射阿波羅飛船的土星五號火箭也都使用了逃逸塔，水星計劃中還出現了人類第一次應急救生逃逸——

1961年4月25日水星-宇宙神3任務中，美國打算用宇宙神火箭將水星飛船送入軌道，但升空后不到20秒火箭就失去控制，地面官員忍痛在起飛后42秒發(fā)出火箭自毀指令，同時逃逸塔拉著飛船分離，飛船最高達到7200米的頂點后下墜落入大西洋。當然這次任務艙內只有個模擬假人，沒有那么驚險。

美國航天在應急救生系統(tǒng)設計方面有一些“另類”，美國的水星和阿波羅飛船之間，還有雙子星飛船，發(fā)射雙子星飛船的火箭居然沒有逃逸塔，這可怎么逃生呢？美國人的辦法是彈射座椅（圖6），但考慮火箭的速度和加速等影響，雙子星飛船彈射座椅實際上只能在5公里以下高度范圍內使用，而無法提供整個發(fā)射段的應急救生。幸好雙子星飛船沒有出現發(fā)射事故。

不要以為這個荒謬的腦洞“下不為例”了，誕生于80年代的航天飛機上居然也沒有逃逸系統(tǒng)！航天飛機早期設計中裝有緊急逃逸固體火箭發(fā)動機（ASRM），但因研制過程中受到超重的困擾，后續(xù)改進中居然刪掉了！

NASA樂觀地表示航天飛機固體助推器極為可靠，即使發(fā)射出現問題也可以將航天飛機推到足夠的高度脫險，也就不需要什么整體逃逸救生的設備了。當然，真正的原因是減掉ASRM能讓軌道器減重3噸多，整架航天飛機更是減重44噸。

此外，哥倫比亞號航天飛機在第一次飛行實驗時裝有彈射座椅（圖8），但只能在不高于24公里高度和馬赫數為4速度下使用，雖然比雙子星的彈射座椅大有提高，但也只覆蓋了航天飛機動力飛行段的約1/5。但哥倫比亞號正式飛行時，彈射座椅方案仍被棄用，NASA還真是對自己的技術信心百倍！

然而，1986年挑戰(zhàn)者號航天飛機在發(fā)射后的第73秒由于固體助推器發(fā)生故障，最終導致空中解體，機上7名宇航員全部罹難。悲劇狠狠打了NASA的臉，事后調查發(fā)現，航天飛機解體后至少有部分宇航員還活著，他們是落到海面上被活生生摔死的，如果航天飛機設計沒有刪除逃逸火箭，這些宇航員們將有很大幾率能活下來！

圖8 航天飛機早期試飛的4次飛行裝有彈射座椅，但從第5次也就是正式任務開始就沒有了

圖9 航天飛機彈射座椅的開艙口仍然在，但彈射座椅正式飛行任務中已經棄用，第22次飛行開始干脆換成了工作座椅。

挑戰(zhàn)者號事故后，增強逃生能力的呼聲又一次高漲，NASA雖然進行了很多軟硬件修改以提高安全性，但增加逃逸火箭因改動太大還是被放棄了，美國航天飛機居然就這么繼續(xù)對付了17年。然而2003年，悲劇再次發(fā)生，哥倫比亞號航天飛機返航再入大氣層時發(fā)生事故解體了，7名宇航員犧牲，數以百萬計的觀眾在電視直播中目睹了這慘烈的一幕……這下美國人終于認識到航天飛機設計方案在安全性上無可救藥，于是重回載人飛船路線，航天飛機2011年全部退役，新一代載人飛船都設計了應急救生逃逸系統(tǒng)。

美國人對創(chuàng)新的追求似乎擁有不可理解的執(zhí)念，就算航天飛機的應急救生系統(tǒng)設計缺陷導致了兩次機毀人亡的慘劇，美國航天仍不甘心“走回頭路”。新一代載人飛船中，只有NASA的獵戶座飛船使用了傳統(tǒng)的逃逸塔設計，算是唯一的保守派。商業(yè)載人飛船包括波音公司研制的CST-100和SpaceX公司研制的載人龍，都將使用更新穎的推式逃逸系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的逃逸塔在飛船上方，緊急情況下拉著飛船逃逸脫離，而推式逃逸系統(tǒng)的發(fā)動機在飛船上，一旦遇到緊急情況，將推著飛船快速脫離火箭。那么整流罩怎么處理呢？這兩種新飛船干脆沒有整流罩，可以說把應急救生系統(tǒng)精簡到極致。這樣的推式逃逸設計沒有逃逸塔和整流罩的額外重量，也避免了逃逸塔分離和整流罩分離這些步驟帶來的可靠性問題，同時保留了優(yōu)秀的應急救生能力，做到了減重和救生兼得。推式逃逸設計系統(tǒng)理論上具有更高的可靠性，但究竟實際效果如何，恐怕還只能等待未來實際發(fā)射的檢驗。