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    光明日报 2021年06月24日 星期四

    火箭逃逸系统:为航天员提供安全保障

    作者:钱航 《光明日报》( 2021年06月24日 16版)

        世界主流载人火箭在外形上大多有个共同的特征:火箭“头顶”上都顶着一个尖尖的装置,叫作“逃逸塔”,也就是火箭的逃逸系统。与之一起发挥关键作用的是外形上看不到的故障检测处理系统,这是载人火箭所独有的系统。载人火箭从在发射台等待发射到飞行过程中,故检逃逸系统会一直配合工作,故障检测处理系统一旦检测到火箭出现危及航天员安全的情况,将给逃逸系统发出逃逸指令,逃逸系统就会迅速将航天员带离危险,使之安全返回地面。

        被誉为“神箭”的中国载人火箭长征二号F型运载火箭历次安全成功将航天员送入太空,其上就设计了故检逃逸系统,以全程保护航天员的安全。

        运载火箭上为航天员逃逸而专门研制的系统有故障检测处理系统和逃逸系统。参与航天员逃逸的系统有控制系统、遥测系统和外测安全系统。故障检测处理系统有两个主要任务,一是检测火箭的重要参数,判断火箭故障,出现故障时向有关系统发出逃逸指令和终止飞行指令,由箭上的故障检测处理飞行软件负责实施这两项关键任务;二是逃逸时完成逃逸飞行器的时序控制和火工品配电,由箭上的逃逸程序控制软件负责逃逸时逃逸发动机点火及相关装置动作控制。逃逸系统的任务是当运载火箭抛整流罩前发生重大危险,威胁到航天员的生命安全时,负责使航天员脱离危险区,并为航天员的返回着陆提供必要的条件。

        逃逸系统的构成非常复杂,由五种固体发动机、整流罩的上半部分、支撑机构、栅格翼及其释放机构以及灭火装置等组成,它必须与其他正常飞行时所使用的系统协同工作才能完成逃逸任务。五种发动机分别是逃逸主发动机、分离发动机、偏航俯仰控制发动机、高空逃逸发动机和高空分离发动机。前三种负责39千米高度以下,也就是火箭从点火前900秒到发射后120秒时的逃逸工作;后两种在39至110千米高度内,即火箭发射120秒后至200秒时发挥作用。

        逃逸系统的结构由上半部整流罩、栅格翼及其释放机构、上下支撑机构等组成。上下支撑机构的主要功能是:一旦火箭出现应急故障需要逃逸救生时,上下支撑机构上的火工作动筒接到发火信号点火动作后,迅速将机构与飞船的可移动支点锁死,以实现逃逸系统外壳体与飞船返回舱及轨道舱间的刚性连接,这种刚性连接是实现逃逸救生的必要保证条件。在正常飞行条件下上下支撑机构与飞船是弹性支撑,即飞船与逃逸系统外壳体间可以有允许的间隙做相对运动。

        逃逸飞行器是一个无控飞行器,根据逃逸飞行器气动特性设计,为了保证飞行器在整个逃逸飞行过程中保持稳定姿态,在逃逸飞行器底部四周需要设置4块稳定栅格翼。该栅格翼在火箭正常飞行状态下收靠在整流罩周围,一旦逃逸,4块栅格翼与整流罩的连接爆炸螺栓起爆解锁,栅格翼在弹簧推杆、气动力及过载惯性力的作用下迅速展开。为防止栅格翼展开时对整流罩冲击过大,同时又要将栅格翼展开后锁定在某一位置,每块栅格翼两侧安装有两个液压阻尼器,以实现阻尼和锁定双重功能。在保证栅格翼展开时间要求的同时,尽可能减少对整流罩的冲击。

        逃逸系统共配备了5种类型共12台发动机,其中逃逸主发动机1台,分离发动机1台,控制发动机4台,高空逃逸发动机4台,高空分离发动机2台。除高空分离发动机为选用产品外,其他几种发动机均是专门为逃逸系统研制的。逃逸主发动机、分离发动机、控制发动机和尾裙、配重段一起组成逃逸塔,为120秒前的逃逸提供动力。高空逃逸发动机、高空分离发动机安装在飞船整流罩上,完成从逃逸塔分离后到抛罩期间的应急逃逸任务。逃逸系统固体发动机的任务决定了这些发动机的特点,即:快速启动、推力大、工作时间短和高可靠性、安全性。

        在逃逸系统的工作范围(起飞至整流罩分离)内,逃逸模式分为两种,即有塔逃逸模式(模式Ⅰ)和无塔逃逸模式(模式Ⅱ)。模式Ⅰ适用于火箭发射前15分钟~起飞后120秒,模式Ⅱ适用于火箭起飞后120秒~整流罩分离。在逃逸模式Ⅰ中,考虑到发射人员及地面设施的安全性,火箭飞行60秒前逃逸时火箭发动机不关机,60秒后逃逸时将终止故障火箭继续飞行。逃逸模式Ⅱ适用于逃逸塔分离至整流罩分离期间火箭出现重大故障时。在实际的飞行过程中,返回舱和逃逸飞行器可能存在两种分离模式,即有逃逸塔分离和无逃逸塔分离。有逃逸塔分离的动力来源于逃逸塔上的分离发动机,无逃逸塔分离的动力来源于整流罩上的高空分离发动机。

        回顾载人航天历史,故检逃逸系统在保障航天员的生命安全上立了大功。2018年,俄罗斯联盟号火箭升空后出现问题,当时逃逸塔已经分离,火箭故检系统检测到火箭发射重大故障后,启动了无逃逸塔的高空逃逸模式,飞船与火箭分离后使用降落伞返回地面,航天员无一伤亡。再比如,1983年9月26日,苏联的联盟T-10-1飞船在准备发射升空时,火箭突然起火燃烧。情况万分紧急,就在满载燃料的火箭即将爆炸之前几秒钟,逃逸系统启动,逃逸塔将载人飞船带离危险区域并降落到安全地带,拯救了航天员的生命。1975年4月5日,苏联发射联盟-18飞船,准备与当时的礼炮号空间站对接,在近150公里的高空,火箭二级与三级分离不成功,偏离预定轨道,之后实施了逃逸程序,采用轨迹很陡峭的弹道式下降方式成功返回地球。

        在我们航天探索的过程中,“载人航天,人命关天”,安全永远放在第一位,如此我们才能站得更高,离天空更近。

        (作者:钱航,系航天科技集团一院试验队队员)

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