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光明日報:火箭逃逸系統為航天員提供安全保障

文章來源:光明日報  發布時間:2021-06-25

世界主流載人火箭在外形上大多有個共同的特征:火箭“頭頂”上都頂著一個尖尖的裝置,叫作“逃逸塔”,也就是火箭的逃逸系統。與之一起發揮關鍵作用的是外形上看不到的故障檢測處理系統,這是載人火箭所獨有的系統。載人火箭從在發射臺等待發射到飛行過程中,故檢逃逸系統會一直配合工作,故障檢測處理系統一旦檢測到火箭出現危及航天員安全的情況,將給逃逸系統發出逃逸指令,逃逸系統就會迅速將航天員帶離危險,使之安全返回地面。

被譽為“神箭”的中國載人火箭長征二號F型運載火箭歷次安全成功將航天員送入太空,其上就設計了故檢逃逸系統,以全程保護航天員的安全。

運載火箭上為航天員逃逸而專門研制的系統有故障檢測處理系統和逃逸系統。參與航天員逃逸的系統有控制系統、遙測系統和外測安全系統。故障檢測處理系統有兩個主要任務,一是檢測火箭的重要參數,判斷火箭故障,出現故障時向有關系統發出逃逸指令和終止飛行指令,由箭上的故障檢測處理飛行軟件負責實施這兩項關鍵任務;二是逃逸時完成逃逸飛行器的時序控制和火工品配電,由箭上的逃逸程序控制軟件負責逃逸時逃逸發動機點火及相關裝置動作控制。逃逸系統的任務是當運載火箭拋整流罩前發生重大危險,威脅到航天員的生命安全時,負責使航天員脫離危險區,并為航天員的返回著陸提供必要的條件。

逃逸系統的構成非常復雜,由五種固體發動機、整流罩的上半部分、支撐機構、柵格翼及其釋放機構以及滅火裝置等組成,它必須與其他正常飛行時所使用的系統協同工作才能完成逃逸任務。五種發動機分別是逃逸主發動機、分離發動機、偏航俯仰控制發動機、高空逃逸發動機和高空分離發動機。前三種負責39千米高度以下,也就是火箭從點火前900秒到發射后120秒時的逃逸工作;后兩種在39至110千米高度內,即火箭發射120秒后至200秒時發揮作用。

逃逸系統的結構由上半部整流罩、柵格翼及其釋放機構、上下支撐機構等組成。上下支撐機構的主要功能是:一旦火箭出現應急故障需要逃逸救生時,上下支撐機構上的火工作動筒接到發火信號點火動作后,迅速將機構與飛船的可移動支點鎖死,以實現逃逸系統外殼體與飛船返回艙及軌道艙間的剛性連接,這種剛性連接是實現逃逸救生的必要保證條件。在正常飛行條件下上下支撐機構與飛船是彈性支撐,即飛船與逃逸系統外殼體間可以有允許的間隙做相對運動。

逃逸飛行器是一個無控飛行器,根據逃逸飛行器氣動特性設計,為了保證飛行器在整個逃逸飛行過程中保持穩定姿態,在逃逸飛行器底部四周需要設置4塊穩定柵格翼。該柵格翼在火箭正常飛行狀態下收靠在整流罩周圍,一旦逃逸,4塊柵格翼與整流罩的連接爆炸螺栓起爆解鎖,柵格翼在彈簧推桿、氣動力及過載慣性力的作用下迅速展開。為防止柵格翼展開時對整流罩沖擊過大,同時又要將柵格翼展開后鎖定在某一位置,每塊柵格翼兩側安裝有兩個液壓阻尼器,以實現阻尼和鎖定雙重功能。在保證柵格翼展開時間要求的同時,盡可能減少對整流罩的沖擊。

逃逸系統共配備了5種類型共12臺發動機,其中逃逸主發動機1臺,分離發動機1臺,控制發動機4臺,高空逃逸發動機4臺,高空分離發動機2臺。除高空分離發動機為選用產品外,其他幾種發動機均是專門為逃逸系統研制的。逃逸主發動機、分離發動機、控制發動機和尾裙、配重段一起組成逃逸塔,為120秒前的逃逸提供動力。高空逃逸發動機、高空分離發動機安裝在飛船整流罩上,完成從逃逸塔分離后到拋罩期間的應急逃逸任務。逃逸系統固體發動機的任務決定了這些發動機的特點,即:快速啟動、推力大、工作時間短和高可靠性、安全性。

在逃逸系統的工作范圍(起飛至整流罩分離)內,逃逸模式分為兩種,即有塔逃逸模式(模式Ⅰ)和無塔逃逸模式(模式Ⅱ)。模式Ⅰ適用于火箭發射前15分鐘~起飛后120秒,模式Ⅱ適用于火箭起飛后120秒~整流罩分離。在逃逸模式Ⅰ中,考慮到發射人員及地面設施的安全性,火箭飛行60秒前逃逸時火箭發動機不關機,60秒后逃逸時將終止故障火箭繼續飛行。逃逸模式Ⅱ適用于逃逸塔分離至整流罩分離期間火箭出現重大故障時。在實際的飛行過程中,返回艙和逃逸飛行器可能存在兩種分離模式,即有逃逸塔分離和無逃逸塔分離。有逃逸塔分離的動力來源于逃逸塔上的分離發動機,無逃逸塔分離的動力來源于整流罩上的高空分離發動機。

回顧載人航天歷史,故檢逃逸系統在保障航天員的生命安全上立了大功。2018年,俄羅斯聯盟號火箭升空后出現問題,當時逃逸塔已經分離,火箭故檢系統檢測到火箭發射重大故障后,啟動了無逃逸塔的高空逃逸模式,飛船與火箭分離后使用降落傘返回地面,航天員無一傷亡。再比如,1983年9月26日,蘇聯的聯盟T-10-1飛船在準備發射升空時,火箭突然起火燃燒。情況萬分緊急,就在滿載燃料的火箭即將爆炸之前幾秒鐘,逃逸系統啟動,逃逸塔將載人飛船帶離危險區域并降落到安全地帶,拯救了航天員的生命。1975年4月5日,蘇聯發射聯盟-18飛船,準備與當時的禮炮號空間站對接,在近150公里的高空,火箭二級與三級分離不成功,偏離預定軌道,之后實施了逃逸程序,采用軌跡很陡峭的彈道式下降方式成功返回地球。

在我們航天探索的過程中,“載人航天,人命關天”,安全永遠放在第一位,如此我們才能站得更高,離天空更近。

【責任編輯:張思嘉】

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