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(tǒng)。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(tǒng),這是載人火箭所獨有的系統(tǒng)。載人火箭從在發(fā)射臺等待發(fā)射到飛行過程中,故檢逃逸系統(tǒng)會一直配合工作,故障檢測處理系統(tǒng)一旦檢測到火箭出現(xiàn)危及航天員安全的情況,將給逃逸系統(tǒng)發(fā)出逃逸指令,逃逸系統(tǒng)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(shè)計了故檢逃逸系統(tǒng),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(tǒng)有故障檢測處理系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)。參與航天員逃逸的系統(tǒng)有控制系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)和外測安全系統(tǒng)。故障檢測處理系統(tǒng)有兩個主要任務(wù),一是檢測火箭的重要參數(shù),判斷火箭故障,出現(xiàn)故障時向有關(guān)系統(tǒng)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施這兩項關(guān)鍵任務(wù);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(fā)動機點火及相關(guān)裝置動作控制。逃逸系統(tǒng)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,負責使航天員脫離危險區(qū),并為航天員的返回著陸提供必要的條件。
逃逸系統(tǒng)的構(gòu)成非常復(fù)雜,由五種固體發(fā)動機、整流罩的上半部分、支撐機構(gòu)、柵格翼及其釋放機構(gòu)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(tǒng)協(xié)同工作才能完成逃逸任務(wù)。五種發(fā)動機分別是逃逸主發(fā)動機、分離發(fā)動機、偏航俯仰控制發(fā)動機、高空逃逸發(fā)動機和高空分離發(fā)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(fā)射后120秒時的逃逸工作;后兩種在39至110千米高度內(nèi),即火箭發(fā)射120秒后至200秒時發(fā)揮作用。
逃逸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由上半部整流罩、柵格翼及其釋放機構(gòu)、上下支撐機構(gòu)等組成。上下支撐機構(gòu)的主要功能是:一旦火箭出現(xiàn)應(yīng)急故障需要逃逸救生時,上下支撐機構(gòu)上的火工作動筒接到發(fā)火信號點火動作后,迅速將機構(gòu)與飛船的可移動支點鎖死,以實現(xiàn)逃逸系統(tǒng)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(xiàn)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(gòu)與飛船是彈性支撐,即飛船與逃逸系統(tǒng)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(jù)逃逸飛行器氣動特性設(shè)計,為了保證飛行器在整個逃逸飛行過程中保持穩(wěn)定姿態(tài),在逃逸飛行器底部四周需要設(shè)置4塊穩(wěn)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(cè)安裝有兩個液壓阻尼器,以實現(xiàn)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(tǒng)共配備了5種類型共12臺發(fā)動機,其中逃逸主發(fā)動機1臺,分離發(fā)動機1臺,控制發(fā)動機4臺,高空逃逸發(fā)動機4臺,高空分離發(fā)動機2臺。除高空分離發(fā)動機為選用產(chǎn)品外,其他幾種發(fā)動機均是專門為逃逸系統(tǒng)研制的。逃逸主發(fā)動機、分離發(fā)動機、控制發(fā)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(fā)動機、高空分離發(fā)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(yīng)急逃逸任務(wù)。逃逸系統(tǒng)固體發(fā)動機的任務(wù)決定了這些發(fā)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(tǒng)的工作范圍(起飛至整流罩分離)內(nèi),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(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(shè)施的安全性,火箭飛行60秒前逃逸時火箭發(fā)動機不關(guān)機,60秒后逃逸時將終止故障火箭繼續(xù)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(xiàn)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(fā)動機,無逃逸塔分離的動力來源于整流罩上的高空分離發(fā)動機。
回顧載人航天歷史,故檢逃逸系統(tǒng)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(xiàn)問題,當時逃逸塔已經(jīng)分離,火箭故檢系統(tǒng)檢測到火箭發(fā)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(lián)的聯(lián)盟T-10-1飛船在準備發(fā)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(tǒng)啟動,逃逸塔將載人飛船帶離危險區(qū)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(yù)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(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。