从联盟MS-10发射失败说起——载人航天逃逸系统浅析

+ 张雪松

俄罗斯今年的航天发射数量，被中美两国远远甩在身后，但10月11日，俄罗斯航天却以另一种方式几乎独霸全球头条：联盟MS-10载人飞船发射失败了！

幸运的是虽然联盟火箭出了大问题，但载人飞船安全逃逸，飞船内的两名宇航员（一名美国人，一名俄罗斯人）平安着陆。

载人航天发射向来力求万无一失，这其中逃逸系统至关重要，并且这正是俄罗斯联盟号飞船的看家本领。本次事故究竟是如何发生的？人类载人航天史上发生过多少次逃逸事件？载人航天发射有几种应急救生（逃逸）方式？本文中，我们将逐一介绍。

图1 发射本次MS-10飞船任务的联盟-FG火箭

惊心动魄的紧急逃逸

让我们先来回顾一下本次事件。

北京时间10月11日下午4时40分15秒，俄罗斯制造的联盟-FG火箭从拜科努尔航天发射基地发射升空，将联盟MS-10飞船送往国际空间站，值得一提的是，这次发射不仅是今年发射的第三艘联盟号载人飞船，还要进行快速交会对接，计划在发射后6小时即抵达国际空间站。

火箭升空后1分54秒（114秒），火箭闯过了最大动压区，联盟-FG载人火箭顶端的逃逸塔被抛弃，接下来又过了4秒，火箭的4枚助推器开始分离。如果顺利，四个助推器同时分离将在空中形成漂亮的十字形，这就是联盟号系列火箭经典的“科罗廖夫十字”，然而这次发射恰恰是助推器出了大问题，4枚助推器中有一枚没有正常分离，随后反而撞上了火箭芯级！火箭芯级发动机随后关机，发射中止并启动应急逃生程序，此时升空才2分03秒（123秒），而且火箭高度只有约50公里，可谓是上不着天下不着地，怎么办？

飞得好好的火箭突然关机熄火，宇航员和地面人员都是胆战心惊：火箭是否会爆炸？飞船能否及时与故障火箭分离？如果两个答案都是坏的结果，那么后果将不堪设想。

幸运的是，虽然火箭逃逸塔已被抛弃，但应急救生系统启动后，联盟号飞船及时顺利分离成功，这让大家松了一口气。

飞船发射升空后2分40秒后，返回舱和飞船的其他部分分离，进入抛物线弹道飞行。联盟号包括神舟号飞船从太空返回，返回舱攻角适当时升阻比大于0.1，属于有升力的半弹道式飞行，通过滚动控制改变升力方向控制轨道，可以降低返回过载、减小落点散布，但这次紧急逃生哪里顾得上飞船姿态，自然成了纯弹道式再入，事后数据显示过载可能达到了6.7g之多，虽然远远低于联盟飞船前两次应急逃生时出现的14g-17g的高过载，但仍足以让地面人员担心宇航员的安危。飞船返回舱在低空打开降落伞，最终飘落在哈萨克斯坦杰兹卡兹甘市以东20公里的地方，救援人员很快联系上宇航员并迅速赶到，这时惊心动魄的一幕才算化险为夷。随后，两位宇航员被接回，从照片上看身体状态还不错，并没有明显的受伤迹象。

图2 联盟火箭顶部像避雷针似的就是逃逸塔

逃逸系统屡立战功

本次两名宇航员平安返回，有惊无险，发挥最关键作用的就是联盟号火箭的应急救生系统（SAS）。应急救生系统最为人熟知的部分是火箭顶端的逃逸塔，也被形象的称为逃逸系统。

图3 参加本次飞行任务的俄罗斯宇航员阿列克赛·奥夫奇与美国宇航员尼克·黑格获救后，和俄国家航天集团公司总经理罗戈津（中）合影

上得山多终遇虎，联盟号火箭虽然发射成功率相当出色，但也难以避免出现失败。联盟号飞船历史上有两次应急逃逸经历，一次是1975年4月5日的联盟18a发射。彼时，火箭发射后288秒已经到达145公里的高空，但一二级分离失败，二级发动机点火，随后“喷”开第一级，但火箭已经偏离原有轨道，发射后第295秒制导系统发现了这个问题，自动激活中止程序随后进行飞船分离逃逸，这时逃逸塔和整流罩都已经分离，高空逃逸靠的是联盟号飞船自己的发动机。飞船高速弹道式逃逸再入大气层，当时的两位宇航员可就没有这次的宇航员幸运了，他们被折腾得够呛，分析认为该次过载达到了15个g，甚至事后宇航员回忆称，再入时的过载峰值恐怕有21.3个g，能活下来真是不容易，再次致敬这些宇航探索的英雄们！平安返回后，其中一名宇航员瓦西里·拉扎雷夫再也没有上过太空，恐怕是身体在那次事故中遭受了不小的影响。话虽如此，总算保证了宇航员的生命安全，联盟号飞船的应急救生能力表现得可圈可点。

图4 1983年9月27日联盟T10a飞船紧急逃逸，现场观看的军官们肯定出了一身冷汗！

图5 红框内为整流罩上的分离发动机

1975年联盟18a飞船事故的原因，和今年的联盟MS-10事故情况截然不同，不过1983年9月27日的联盟T10a事故，倒有些相似，都是由助推器引起，但情况更为惊险。彼时，联盟T10a飞船发射前90秒，火箭助推器增压氮气管路的一个阀门失效，发动机涡轮泵空转过载然后煤油泄露了，结果引发了火灾！飞船内的宇航员感觉到了振动，但隔着整流罩他们看不到外面发生了什么，但就算知道了也只能干着急，宇航员并无法手动启动应急救生系统逃逸。更糟糕的是，地面控制室也遇到了问题，他们发出了激活逃逸系统的指令，但控制电缆被发射台上的大火烧得失效了！幸亏备用的无线电指令还能用，几秒之后逃逸塔拉着飞船升空，飞船逃离后只数秒，燃烧中的联盟号火箭就爆炸了！逃逸过程中，两位宇航员承受了17个g的过载，而且时间长达约5秒，所幸未危及他们的生命，最终飞船返回舱安全落在距离发射台4公里外，这可是货真价实的死里逃生，要比本次联盟MS-10的逃生过程惊险得多，也是人类航天史上，逃逸塔在实际载人发射任务中的唯一一次应用。然而，应急救生系统也有主动“闯祸”的时候，1966年苏联联盟号飞船的第二次无人飞行试验中，联盟号火箭自动中止发射后，应急救生系统固体发动机突然点火，结果引发全箭在发射台上爆炸！

五花八门的应急救生系统

载人航天是一个国家科技水平和软实力的象征，美国总统肯尼迪就曾表示：“到达月球的是人而不是仪器，才能激发世界的热情和梦想”。反过来说，如果不幸出现船毁人亡的事故，对国家形象、航天科技的发展及国民的信心来说，打击都是沉重的。为了提高宇航员的安全性，各国载人航天系统都准备了应急救生的预案。

俄罗斯联盟号飞船一开始就设计了应急救生系统，并随着需求的完善发展出多种型号。早期联盟号火箭的应急救生主要依靠逃逸塔，它用于发射前20分钟到发射后100多秒内的应急救生逃逸，一旦出现危及宇航员安全的紧急情况，逃逸塔上的固体大推力发动机就会点火带动飞船分离。然而早期的应急救生系统有个不小的隐患，如果故障发生在逃逸塔分离之前，可依靠逃逸塔逃生，如果发生在整流罩打开后，飞船可以依靠自己的主发动机分离逃生，但事实上，逃逸塔分离后还需要一段时间整流罩才分离，这期间要是出现异常，比如这次联盟MS-10飞船的情况，那么宇航员只能听天由命了。

为了堵上这个救生空白区，联盟7K-S飞船使用了改进的应急救生系统，不仅逃逸分离发动机推力更大，还在整流罩上额外安装了4台分离发动机（图5），这样从逃逸塔抛弃到整流罩分离这一小段时间的安全也有了保证。虽然这要付出增重的代价，但生命比什么都重要，只要火箭运力足够，这绝对是值得的！这一冗余设计也被我国的CZ-2F火箭继承，我国神箭的应急救生系统同样包括逃逸塔和整流罩上的分离发动机。

图6 双子星飞船的弹射座椅试验。弹射座椅对火箭影响小，但使用高度低只是权宜之计

图7 航天飞机早期装有紧急逃逸固体火箭发动机（ASRM），但为了减重却删掉了，挑战者号航天飞机的悲剧本可避免!

那么航天超级大国美国的应急救生系统如何呢？美国发射水星飞船的水星-宇宙神火箭和发射阿波罗飞船的土星五号火箭也都使用了逃逸塔，水星计划中还出现了人类第一次应急救生逃逸——

1961年4月25日水星-宇宙神3任务中，美国打算用宇宙神火箭将水星飞船送入轨道，但升空后不到20秒火箭就失去控制，地面官员忍痛在起飞后42秒发出火箭自毁指令，同时逃逸塔拉着飞船分离，飞船最高达到7200米的顶点后下坠落入大西洋。当然这次任务舱内只有个模拟假人，没有那么惊险。

美国航天在应急救生系统设计方面有一些“另类”，美国的水星和阿波罗飞船之间，还有双子星飞船，发射双子星飞船的火箭居然没有逃逸塔，这可怎么逃生呢？美国人的办法是弹射座椅（图6），但考虑火箭的速度和加速等影响，双子星飞船弹射座椅实际上只能在5公里以下高度范围内使用，而无法提供整个发射段的应急救生。幸好双子星飞船没有出现发射事故。

不要以为这个荒谬的脑洞“下不为例”了，诞生于80年代的航天飞机上居然也没有逃逸系统！航天飞机早期设计中装有紧急逃逸固体火箭发动机（ASRM），但因研制过程中受到超重的困扰，后续改进中居然删掉了！

NASA乐观地表示航天飞机固体助推器极为可靠，即使发射出现问题也可以将航天飞机推到足够的高度脱险，也就不需要什么整体逃逸救生的设备了。当然，真正的原因是减掉ASRM能让轨道器减重3吨多，整架航天飞机更是减重44吨。

此外，哥伦比亚号航天飞机在第一次飞行实验时装有弹射座椅（图8），但只能在不高于24公里高度和马赫数为4速度下使用，虽然比双子星的弹射座椅大有提高，但也只覆盖了航天飞机动力飞行段的约1/5。但哥伦比亚号正式飞行时，弹射座椅方案仍被弃用，NASA还真是对自己的技术信心百倍！

然而，1986年挑战者号航天飞机在发射后的第73秒由于固体助推器发生故障，最终导致空中解体，机上7名宇航员全部罹难。悲剧狠狠打了NASA的脸，事后调查发现，航天飞机解体后至少有部分宇航员还活着，他们是落到海面上被活生生摔死的，如果航天飞机设计没有删除逃逸火箭，这些宇航员们将有很大几率能活下来！

图8 航天飞机早期试飞的4次飞行装有弹射座椅，但从第5次也就是正式任务开始就没有了

图9 航天飞机弹射座椅的开舱口仍然在，但弹射座椅正式飞行任务中已经弃用，第22次飞行开始干脆换成了工作座椅。

挑战者号事故后，增强逃生能力的呼声又一次高涨，NASA虽然进行了很多软硬件修改以提高安全性，但增加逃逸火箭因改动太大还是被放弃了，美国航天飞机居然就这么继续对付了17年。然而2003年，悲剧再次发生，哥伦比亚号航天飞机返航再入大气层时发生事故解体了，7名宇航员牺牲，数以百万计的观众在电视直播中目睹了这惨烈的一幕……这下美国人终于认识到航天飞机设计方案在安全性上无可救药，于是重回载人飞船路线，航天飞机2011年全部退役，新一代载人飞船都设计了应急救生逃逸系统。

美国人对创新的追求似乎拥有不可理解的执念，就算航天飞机的应急救生系统设计缺陷导致了两次机毁人亡的惨剧，美国航天仍不甘心“走回头路”。新一代载人飞船中，只有NASA的猎户座飞船使用了传统的逃逸塔设计，算是唯一的保守派。商业载人飞船包括波音公司研制的CST-100和SpaceX公司研制的载人龙，都将使用更新颖的推式逃逸系统。

传统的逃逸塔在飞船上方，紧急情况下拉着飞船逃逸脱离，而推式逃逸系统的发动机在飞船上，一旦遇到紧急情况，将推着飞船快速脱离火箭。那么整流罩怎么处理呢？这两种新飞船干脆没有整流罩，可以说把应急救生系统精简到极致。这样的推式逃逸设计没有逃逸塔和整流罩的额外重量，也避免了逃逸塔分离和整流罩分离这些步骤带来的可靠性问题，同时保留了优秀的应急救生能力，做到了减重和救生兼得。推式逃逸设计系统理论上具有更高的可靠性，但究竟实际效果如何，恐怕还只能等待未来实际发射的检验。