世界主流載人火箭在外形上大多有個(gè)共同的特征:火箭“頭頂”上都頂著(zhù)一個(gè)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(fā)揮關(guān)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(fā)射臺等待發(fā)射到飛行過(guò)程中,故檢逃逸系統會(huì )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(fā)出逃逸指令,逃逸系統就會(huì )迅速將航天員帶離危險,使之安全返回地面。
被譽(yù)為“神箭”的中國載人火箭長(cháng)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(zhuān)門(mén)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(gè)主要任務(wù),一是檢測火箭的重要參數,判斷火箭故障,出現故障時(shí)向有關(guān)系統發(fā)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(shí)施這兩項關(guān)鍵任務(wù);二是逃逸時(shí)完成逃逸飛行器的時(shí)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(shí)逃逸發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火及相關(guān)裝置動(dòng)作控制。逃逸系統的任務(wù)是當運載火箭拋整流罩前發(fā)生重大危險,威脅到航天員的生命安全時(shí),負責使航天員脫離危險區,并為航天員的返回著(zhù)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(fā)動(dòng)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(shí)所使用的系統協(xié)同工作才能完成逃逸任務(wù)。五種發(fā)動(dòng)機分別是逃逸主發(fā)動(dòng)機、分離發(fā)動(dòng)機、偏航俯仰控制發(fā)動(dòng)機、高空逃逸發(fā)動(dòng)機和高空分離發(fā)動(dòng)機。前三種負責39千米高度以下,也就是火箭從點(diǎn)火前900秒到發(fā)射后120秒時(shí)的逃逸工作;后兩種在39至110千米高度內,即火箭發(fā)射120秒后至200秒時(shí)發(fā)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(shí),上下支撐機構上的火工作動(dòng)筒接到發(fā)火信號點(diǎn)火動(dòng)作后,迅速將機構與飛船的可移動(dòng)支點(diǎn)鎖死,以實(shí)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(shí)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(dòng)。
逃逸飛行器是一個(gè)無(wú)控飛行器,根據逃逸飛行器氣動(dòng)特性設計,為了保證飛行器在整個(gè)逃逸飛行過(guò)程中保持穩定姿態(tài),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(tài)下收靠在整流罩周?chē)?,一旦逃逸?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(dòng)力及過(guò)載慣性力的作用下迅速展開(kāi)。為防止柵格翼展開(kāi)時(shí)對整流罩沖擊過(guò)大,同時(shí)又要將柵格翼展開(kāi)后鎖定在某一位置,每塊柵格翼兩側安裝有兩個(gè)液壓阻尼器,以實(shí)現阻尼和鎖定雙重功能。在保證柵格翼展開(kāi)時(shí)間要求的同時(shí),盡可能減少對整流罩的沖擊。
逃逸系統共配備了5種類(lèi)型共12臺發(fā)動(dòng)機,其中逃逸主發(fā)動(dòng)機1臺,分離發(fā)動(dòng)機1臺,控制發(fā)動(dòng)機4臺,高空逃逸發(fā)動(dòng)機4臺,高空分離發(fā)動(dòng)機2臺。除高空分離發(fā)動(dòng)機為選用產(chǎn)品外,其他幾種發(fā)動(dòng)機均是專(zhuān)門(mén)為逃逸系統研制的。逃逸主發(fā)動(dòng)機、分離發(fā)動(dòng)機、控制發(fā)動(dòng)機和尾裙、配重段一起組成逃逸塔,為120秒前的逃逸提供動(dòng)力。高空逃逸發(fā)動(dòng)機、高空分離發(fā)動(dòng)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(wù)。逃逸系統固體發(fā)動(dòng)機的任務(wù)決定了這些發(fā)動(dòng)機的特點(diǎn),即:快速啟動(dòng)、推力大、工作時(shí)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(wú)塔逃逸模式(模式Ⅱ)。模式Ⅰ適用于火箭發(fā)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(fā)射人員及地面設施的安全性,火箭飛行60秒前逃逸時(shí)火箭發(fā)動(dòng)機不關(guān)機,60秒后逃逸時(shí)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(shí)。在實(shí)際的飛行過(guò)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(wú)逃逸塔分離。有逃逸塔分離的動(dòng)力來(lái)源于逃逸塔上的分離發(fā)動(dòng)機,無(wú)逃逸塔分離的動(dòng)力來(lái)源于整流罩上的高空分離發(fā)動(dòng)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(lián)盟號火箭升空后出現問(wèn)題,當時(shí)逃逸塔已經(jīng)分離,火箭故檢系統檢測到火箭發(fā)射重大故障后,啟動(dòng)了無(wú)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(wú)一傷亡。再比如,1983年9月26日,蘇聯(lián)的聯(lián)盟T-10-1飛船在準備發(fā)射升空時(shí),火箭突然起火燃燒。情況萬(wàn)分緊急,就在滿(mǎn)載燃料的火箭即將爆炸之前幾秒鐘,逃逸系統啟動(dòng),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(lián)發(fā)射聯(lián)盟-18飛船,準備與當時(shí)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(shí)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(guò)程中,“載人航天,人命關(guān)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。