紀念那些為航天獻身的先輩——淺談暴風雪太空梭的逃逸系統

科技 02-06

前言

後天凌晨（2月7日）2：30分，重型獵鷹火箭將迎來首次發射嘗試，究竟是炸平發射台還是成為現役運載火箭之王，後天凌晨就見分曉。航天發射結果的未知正代表著航天一直是一項極具風險和危險的事業，而載人航天更是「勇敢者的遊戲」，如何在極端的航天事故中保護航天員的生命，似乎更是一個永恆的話題。

大家好，今天是第13期（

前12期詳見網站連載

），內容上臨時跳過暴風雪號太空梭的正常發展歷程，

專門講下「暴風雪」太空梭的防護、應急與逃生設計

，為什麼要專門講這個呢？因為

前幾天天美國舉行紀念活動，紀念阿波羅1號、挑戰者號與哥倫比亞號遇難乘員組。

先輩們，永世不忘！

哥倫比亞號太空梭事故調查報告

航天事業向來都是高危高風險事業，其危險的發生，許多悲劇發生的原因都是那麼的細微與微小！

首先就說「阿波羅1號」（Apollo-1）起火事故，起火原因是：因為事故發生時，飛船正是處在地面測試階段，因此飛船艙內設備安全並不完備，使得相關專家認為起火可能性極小，故安全人員配備並不完善。所以，在飛船導線短路的時候，其電火花引燃了艙內易燃物。由於艙內注滿了純氧，因而使艙內燃燒猛烈。再加上飛船的設計缺陷，使得救援人員在短時間內從艙里艙外都無法迅速打開艙門。

Apollo-1號任務中因火災事故遇難的成員組

Apollo-1號任務中因火災事故燒毀的阿波羅飛船

測試中的Apollo-1號飛船

和Apollo-1號事故類似，很多慘烈的航天事故都是因為對各種細節的漠視和忽略，美國東部時間1986年1月28日上午，「挑戰者」號太空梭發生爆炸事故。原因是「挑戰者」號在發射升空時因其右側固體助推器（SRB)的O型密封環失效，毗鄰的外部燃料艙在泄漏出的火焰的高溫燒灼下產生結構失效，最終導致高速飛行中的太空梭在空氣阻力的作用下於發射後的第73秒解體爆炸。

相關介紹可以參見往期文章：看老外走過的彎路—太空浩劫，曲折的航天路

SRB分段之間的密封結構剖面，其中B和C分別是文中提到的第一層密封環（base O-ring gasket）和第二層密封環（backup O-ring gasket）

其實本來這場事故本來可以避免。在發射前13小時，一位重要工程師向公司上級召開了電話會議，

指出了上次「挑戰者」號的發射由於O型環失效差點出事兒

，但上級由於急著完成快捷而便宜的太空旅行，維持了繼續發射的命令。在發射前30分鐘，一架波音757客機報告了強氣流的存在，但發射中心也沒有注意。於是……

」挑戰者「太空梭第10次任務（STS-51L）里遇難的7名航天員

」挑戰者「號發射悲劇瞬間

」挑戰者「（STS-51L）任務發射前

2003年2月1日美國東部時間上午9時，

「哥倫比亞」號

太空梭事故也是因為一個細節，在返回過程中出現事故。事故原因是太空梭在升空過程中燃料儲箱左側脫落了一塊隔熱瓦，正好砸到左翼碳／碳複合材料面板下半部分，造成一個保齡球大小的破洞。而在在軌執行任務過程中，機組成員並未發現這一破洞，結果太空梭在再入大氣層過程中，高溫氣流從破洞湧入，使機翼結構熔化，導致機翼結構破壞最終全機解體。

「哥倫比亞』第28次任務（STS-107）任務中遇難的7位航天員

」哥倫比亞「號返航的悲劇

」哥倫比亞「（STS-107）任務發射前

從這些調查報告所得出的結論可以看出：這些事故的根本原因都是人為因素！雖然在幾次事故之後美國採取了各種措施來保障航天員的人身安全，

以至於現在美國的新一代載人航天器的測試與使用標準變得極端嚴格

（詳見往期文章中有關LOC率，Lost of Crew的闡述）。過高的安全性要求

使得「CST-100″，」載人龍」，「獵戶座」飛船首飛前的相關驗證工程變得「繁瑣而漫長」，發射時間表也大幅度拖延！但是這也告誡我們：

與其亡羊補牢，不如未雨綢繆！

而蘇聯方面，也許在這方面比美國人做得更好些！（主要是犧牲的航天員數量相對少一些，沒辦法，誰讓太空梭一趟拉7個呢）不過與美國一樣，都是建立在血的代價上的！

眾所周知，蘇聯早期的航天發展過程中，因為政治因素，導致「趕時間」情況如家常便飯，此外人為疏忽加上技術與製造水平等各類原因，也曾發生過2次非常慘痛的航天員犧牲事故！這就是「聯盟-1」號與「聯盟-11」號任務。

聯盟-1號事故

1967年4月23日，「聯盟1號」飛船在進入軌道後，左邊的太陽能電池帆板沒有打開，電源供電不足，無線電短波發射機沒有工作。姿態穩定系統也受影響，飛船處於不規則運行之中。任務不得不提前結束，在飛船返回時開傘發生故障，引導傘未能拉出主傘，備份傘又因為主傘的阻礙無法打開。

4月24日6時24分，飛船以每秒100多米的速度沖向地面，飛船上的唯一一名航天員科馬羅夫當場被摔死

。

題外話：有關聯盟1號事故，我國之前中學初中語文教材第五冊中有一篇極為煽情的文章，為此在語文教學網路上充滿了對這篇文章的教學經驗和心得，要求同學們認真學習文章中科馬洛夫的愛國和科學精神。同學們年輕的心靈也深深地被科馬洛夫地偉大情懷所感動。

然而，卻沒人知道這篇文章是三流地攤文人所編造、徹頭徹尾憑空捏造、毫無科學根據的大謊言！

有關這篇誤導學生們十幾年的文章，請見往期文章：[航天史話]饒過孩子們吧—中學語文課本上的彌天大謊

科馬羅夫

處在發射台上的「聯盟-1」號火箭

「聯盟-1」號墜毀現場

安息吧！

聯盟-11號事故

1971年6月29日下午9時，聯盟11號飛船帶著3名航天員離開禮炮1號空間站返回地球，但3人都未穿艙內航天服。6月30日1時35分，飛船按程序啟動制動火箭。在再入大氣層前，返回艙和軌道艙分離。但連接兩艙的分離插頭分離後，返回艙的壓力閥門被震開，返回艙密封性被破壞，返回艙內的空氣從該處泄漏，艙內迅速減壓，致使三名沒有穿艙內航天服的航天員因急性缺氧而在一分鐘內死亡。

事實上，當時蘇聯的設計人員對載人飛船的密封性過於自信，因此捨棄了可以應對急性失壓事故艙內航天服，使得一次本不應該發生的事故最終演變成一場悲劇。

詳見往期文章：

更輕、更薄、更方便，詳解藍瞎眼的波音新式航天服！

世界上最貴的衣服—漫談航天服

「聯盟-11″號任務成員組

轉運過程中的「聯盟-11」號任務火箭

「聯盟-11」號任務火箭升空瞬間

可惜，打開之後

安息吧！

除此之外，「聯盟- 5」，」聯盟-18a」，」聯盟T-10A」事故都曾給蘇聯帶去了慘痛的經驗與教訓。技術如此成熟的Soyuz（聯盟）系列飛船都尚且能出現這麼多的險情（據報道去年「聯盟MS-02″飛船在返回時，返回艙再次遇到「聯盟-11」號任務的相似故障——艙內失壓，不過航天員在如今完備的防護措施下依舊順利返回地面）。

且當「挑戰者」的失事後，更是那對於整體系統更加複雜的」暴風雪「號太空梭，其安全設計就必然是—–重中之重！下面，就正式介紹」暴風雪「號太空梭的安全逃生系統！

首先「暴風雪」號太空梭在研製過程中考慮了

4種狀態下機組人員的安全逃生途徑：

（1）發射升空階段的機組人員緊急逃生；

（2）太空梭與運載火箭緊急分離時安全逃生；

（3）太空梭在下降，著陸階段的應急彈射救生；

（4）太空梭在軌飛行階段，利用「聯盟」TM（基於APAS-89對接系統）號救援飛船安全逃生；

（1）發射升空階段的機組人員緊急逃生；

在發射前準備階段，為了在極端情況下緊急撤離發射系統中的機組人員，預先設置了緊急撤離裝置，該裝置的密閉式逃生平台通向登機艙門，

正常安排

在點火升空前1分鐘左右與登機艙門分離，並可在起飛前10-15s重新連接

。緊急撤離裝置的上部可通向登機平台，且通過2根套管與地面隔艙連：其中一根套管里配裝有用於機組人員正常登機或返回的傾斜電梯，另一根套管里則是緊急撤離時使用的傾斜滑道（這算世界上最大的滑梯了）。緊急撤離裝置如下圖：

兩根大套管清晰可見

緊急撤離轉裝置（包括2根大套管）

同時，該階段人員還可以通過彈射的方式進行逃逸。

（2）太空梭與運載火箭應急分離時安全逃生

一旦運載火箭發生故障，根據飛行階段的不同，可採取機組人員彈射離機的方式進行逃逸，也可將太空梭與運載火箭分離後通過滑翔和太空梭上安裝的AL-31航空發動機（

首飛時其發動機安裝方案並未最終確定，故未安裝

）的推動下自主（機組人員操控或著地面控制人員操控下）返回。

當運載火箭在高於彈射區的空域與速度發生故障時，可採用太空梭上安裝的專用固體發動機（首飛時並未安裝）與「能源」火箭應急分離的方式來挽救太空梭與機組人員。當綜合控制系統發現運載火箭完全故障時，其末級發動機關機，隨後太空梭與運載火箭分離，並保持穩定，藉助自主飛行的方式安全著陸。但如果是在「挑戰者」號這種極端事故情況下，可以進行彈射逃生。

（3）太空梭在下降，著陸階段的應急彈射救生

前文已經提到，當運載火箭完全故障時，為了緊急撤離人員，在某些飛行段中（特別是千鈞一髮之際）需要採用彈射方式。

題外話：彈射逃逸方式是美國太空梭所不具備的設計，但是在美國太空梭的早期設計迭代中，也曾有過類似的設計，只不過沒有落實到最終設計中，這也是太空梭逃逸設計備受詬病的一個方面。

詳細可以參見往期文章：

不滅的太空探索精神（上）太空梭研發史

不滅的太空探索精神（下）太空梭研發史

太空梭原計劃安裝的彈射救生系統，正副飛行員有單獨的彈射座椅，其他乘員則依靠彈射救生艙逃生

為了營救「暴風雪」號太空梭的機組人員，在飛行設計實驗階段，

由總設計師加伊.謝韋林領導的「星星」設計局在「性能良好」的K-36系列彈射座椅為基礎上研製的

K-36pb型

零-零彈射座椅（零高度、零速度，Zero-zero ejection seat）

。該彈射座椅能在較大的高度和速度範圍內有效工作，即從處於發射狀態或位於跑道上的「暴風雪」號直至速度達到3.5馬赫且高度不超過35km的條件下進行彈射。（而美國方面，雖然在「挑戰者」悲劇發生後強烈要求相關方面安裝類似彈射座椅，不過，這項非原始設計的重大改動會給整體系統帶來許多不必要的麻煩，而且別忘了，彈射座椅最多也只能裝備4台，也就是駕駛室的4位航天員，而其他航天員難道就放棄？在倫理方面的相關討論與系統設計方面的得不償失使得修改方案一直停留在紙面上，直至退役）而蘇聯，雖然設計也只有2台彈射座椅，但是，其最大承載人員為4名，且原始設計就考慮到相關設計，所以蘇聯太空梭也因此多了一種逃生手段。

機組人員的彈射座椅為敞開式K-36系列，座椅的頭靠兩邊設置有安全帶和兩個穩定傘箱，控制手柄前面為氣動偏向器

。彈射座椅的彈射速度約為800km/h，點火在駕駛室完成，然後沿一條朝上的弧形軌道上升後再降落，座椅的最大離地高度約為300m。但對於太空梭而言，只有在著陸期間發生故障時才符合該彈射座椅使用條件。因為太空梭起飛時，飛行前幾秒與著陸時發生的故障，很可能伴隨出現運載火箭失火和爆炸的情況。此時，機組人員應被彈射出足夠的距離，即相對衝擊波波峰壓力和火災影響的安全距離，在這種情況下，彈射軌跡必須達到足夠的高度，使座椅飛過發射綜合體的服務塔與機場。（不過如果發生哥倫比亞那樣的事故，那真是神也救不了你，想像下，太空梭裡面包一個Soyuz飛船返回艙，然後整體彈射飛走？）

為了實現彈射，太空梭的彈射座椅需要：

（1）配備固體燃料火箭助推器將人員推送至安全距離。

（2）火箭助推器應具備是矢量偏轉能力以調整座椅軌跡。

（3）彈射座椅的最大離地高度約為300m，最高適用速度達到3.5馬赫。

「暴風雪」號的該座椅在實際飛行條件下進行了實驗，在「進步飛船初始型38-42號（最後幾艘初始型進步飛船）任務的頭部整流罩（載人型「聯盟」火箭逃逸塔位置空間）上安裝了「暴風雪」號的彈射座椅。測試時間為:

（1）1988年9月10日—-「進步」-38；

（2）1988年12月25日—-「進步」-39；

（3）1989年2月10日—-「進步」-40；

（4）1989年3月16日—-「進步」-41；

（5）1989年5月5日—-「進步」-42；

這5次測試是在」進步「的主動入軌段（規定高度不超過40km，過載不超過3.5G）進行的。結果達到預期目的。

雖然它從未正式使用過（原因眾所周知）但是它為後續載人航天的相關安全逃生系統的發展提供了寶貴經驗，具有一定的借鑒意義！

【實物圖如下所示，航天服在下面講解】：

「暴風雪」太空梭配備的「雨燕」航天服系統，配備K-36系列彈射座椅

（4）太空梭在軌飛行階段，利用「聯盟」TM（APAS-89對接系統）號救援飛船安全逃生

如本文第一張首圖所示：為配合」暴風雪「號太空梭項目的救援需要，蘇聯曾對」聯盟「號宇宙飛船進行過改型，目的是將其用作救援飛船。

當」聯盟「TM飛船作為救援機使用時，太空梭的機組人員對於其為數不多的操作系統應爛熟於心

。提出這一要求的原因是，在」暴風雪「號飛行試驗階段，計劃在太空梭無法離軌時，以及著陸系統發生故障的情況下，需要像」聯盟「TM號這樣的改進型救援飛船。

該飛船系統與一般聯盟飛船類似，

最大的不同則是使用了能與太空梭和」和平「號空間站」晶體「艙對接的APAS-89對接系統

，該系統源自於美蘇於1975年」ASTP」/」EPAS」(「聯盟-「阿波羅」計劃時採用的APAS-75對接系統的發展型號，後來美國太空梭在1995年與「和平」號空間站對接時也是採用該技術系統，APAS-89對接系統基礎上在延續下來的APAS-95對接系統，而ISS時期太空梭的三個對介面，同樣也是APAS系列對接系統，以後美國的「CST-100″，」載人龍「、獵戶座飛船將採用更新的NDS對接系統（NASA Docking System），不過，還是有APAS的技術底子在，

而中國自主的對接系統，則很大程度上也借鑒了APAS系列對接系統的設計思路

。（畢竟」椎桿「對接系統的局限性還是過大）

APAS-95對接系統的被動端

APAS-95

對接系統

的主動端

蘇聯先後製造了3艘」聯盟「救援飛船，工廠編號為No.101（後來的「聯盟」TM-16號），No.102，No.103（半成品階段改成普通椎桿型聯盟）。該系統原本預計在「暴風雪」第二次飛行過程中升空，測試計劃如下：

（1）」暴風雪「號第二次發射升空後，與」和平「號空間站」晶體「艙進行對接;

（2）空間站人員進入」暴風雪「號內部，這將是」暴風雪「號第一次在太空中接待航天員，並測試第一次測試時未安裝的機載機械臂以及相關係統；

（3）在對接狀態下飛行一晝夜;

（4）當「暴風雪」號與」和平「號空間站分離後，No.101（後來的「聯盟」TM-16號）（搭載2名機組人員）升空，與「暴風雪」號進行對接，且救援機組人員在「暴風雪」號工作一晝夜；

（5）分離後，「暴風雪」號自動著陸，「聯盟」救援飛船繼續飛往「和平」號空間站與「晶體」艙進行對接（最後實際該計劃就完成了地面起飛到對接「晶體」艙）;

1993年1月24日，該型飛船將一組航天員送上太空（後來的「聯盟」TM-16號），不過隨著「暴風雪」號計劃的夭折，該計劃也最終夭折。

效果圖

」聯盟「TM（APAS-89對接系統）救援飛船與」暴風雪「號太空梭對接實施救援想像圖

在05年莫斯科航展上展示的使用APAS-89的聯盟TMA飛船

實際測試的唯一一架」聯盟「測試機，」聯盟「TM-16號在太空中

個人生命保障系統簡單介紹

個人生命保障系統主要是為全航天服提供生命保障功能。機組人員在執行發射，對接，分離和再入這樣的關鍵任務時將穿戴「雨燕」艙內航天服。這套航天服是由「聯盟」號宇宙飛船航天員穿戴的「索科爾」航天服改進而來。以適合彈射座椅配合使用。與美國太空梭航天服不同的是，其航天服可以自動在遇到危險情況時開啟密閉循環模式，且在軌發射緊急情況時也可以進行保護，而美國則沒有。且與「索科爾」航天服一樣，該航天服具備緊急條件下出艙轉移的功能。

該航天服穿戴時間為5分鐘，如果空氣泄露不太嚴重，「暴風雪」內的增壓與減壓系統可以提供充足的空氣來維持此階段氧氣來保護機組人員。

1990-1991年期間，測試工程師身穿該航天服達到18小時，期間12小時處於減壓狀態。測試結果良好。可惜，隨著眾所周知的原因，現在該航天服只能進入博物館了。