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今年6月11日,长征二号F火箭成功发射了神舟十号载人飞船,电视台又一次直播了发射全过程,火箭点火起飞的瞬间令人震撼。随后,又回放了精彩镜头,当逃逸救生塔(简称为逃逸塔)抛离的画面出现时,电视台的主持人说:“很多观众问怎么区别(飞船)载人不载人?就看有没有逃逸塔。”无独有偶,去年电视台直播神舟九号飞船发射时,另一位主持人也说过同样的话。
主持人这样说没有错,却不完全正确。逃逸塔确是载人飞船发射时常用的一种安全救生装置,它能帮助航天员在火箭或飞船出现灾难性事故时逃离险境。不过,安装了逃逸塔,飞船未必载人;没有安装逃逸塔,飞船又未必不载人。例如,神舟一至四号飞船发射时也安装了逃逸塔,却都是无人飞船。更早的还有美国的“水星”号飞船,它的前四次发射虽然也安装了逃逸塔,可是发射的部是无人飞船。还有“阿波罗”号飞船,它用“土星”1B和“土星”五号火箭完成的前三次发射也都是无人飞船,却也安装了逃逸塔。
怎么解释“没有安装逃逸塔,飞船又未必不载人”呢?因为确有载人飞船发射时根本不带逃逸塔。这种情况的火箭为数不多,仅有“东方”号、“上升”号和“双子星座”号。那么,这些飞船当火箭发射出现意外时,又怎么保证航天员的安全呢?不用担心,它们虽然没有逃逸塔,却安装了另一种逃逸装置,那就是弹射式座椅。
“东方”号、“上升”号是苏联早期的载人飞船,座舱内都安装了弹射式座椅。因此,苏联不仅是世界上第一个发射载人飞船的国家,也是最早在飞船上采用弹射式逃逸救生系统的国家。当火箭发射遇到险情时,弹射座椅能迅速将航天员从座舱中弹射出去,并借助降落伞安全返回地面。另外,弹射座椅还可用于飞船的返回着陆,当返回舱到达距地面7000米左右的高度时,它立即将航天员弹出舱外,然后安全着陆。类似的弹射座椅系统后来还用于“暴风雪”号航天飞机的试验中。直到“联盟”号飞船投入使用后,苏联才开始使用逃逸塔系统。
美国是最早研制和使用逃逸塔的国家,“水星”号、“阿波罗”号载人飞船都使用了这种逃逸系统,例外的是“双子星座”号,它是美国唯一采用弹射座椅的载人飞船。现在,就让我们以它为例,看看载人飞船上的弹射座椅究竟是怎么回事。
弹射座椅的组成
“双子星座”号飞船是美国的第二种载人飞船,也是第一种双人式飞船。飞船直径3.05米、长5.8米,最大重量3.79吨。在主动段飞行过程中,飞船可以根据不同的飞行高度采用三种方法应急救生:一是从发射台到21.3千米内采用弹射座椅,将航天员从飞船中直接弹射出去;二是在46至156千米的高度内,利用制动火箭将飞船连同航天员一起安全送回地面;三是自156千米至入轨点的高度内,飞船利用姿控和机动发动机提前返回。
也许有人会问,无论是“双子星座”之前的“水星”号,还是在它之后的“阿波罗”号,都采用的是逃逸塔系统,为什么单独只有中间的这种飞船采用弹射座椅呢?原因在于发射它的运载火箭是“大力神”二号。这种火箭由同名战略导弹改进而成,其发动机采用了可贮存推进剂,即偏二甲肼和四氧化二氮。它的特点是火箭意外爆炸时产生的冲击波和火球比较小,因此弹射座椅来得及脱离危险区。而发射“水星”号飞船的“阿特拉斯”火箭和发射“阿波罗”号飞船的“土星”火箭采用的却是低温燃料,爆炸后威力猛烈,如果采用弹射座椅,很难逃离危险区,只有依靠逃逸塔救生。
说起弹射座椅,许多人并不陌生,几乎所有的作战飞机,包括歼击机、强击机等都安装了这种救生装置。那么,载人飞船的弹射座椅又是什么样呢?其实,它和飞机的弹射座椅模样差不多。
“双子星座”号飞船的弹射座椅由美国韦伯飞机公司研制,主要由座椅、靠背组件和动力装置三大部分组成。
座椅可不像我们通常使用的家用座椅,而是用铝合金制成的一种薄壁刚架结构,一些主要受力部位采用了钛合金。座椅又包括椅背、椅盆、扶手、脚蹬等许多部分。座椅还装有航天员与座椅的分离装置,包括弹射控制机构、人椅分离器、装具释放作动器等。
靠背组件的前面,即航天员倚靠的一面固定着背垫;背面的装备分为三部分:包括降落伞包、气球伞包和救生包。在它们的中间留有一道空隙,安装着火箭弹射器。
降落伞包是弹射座椅上的关键部分,它安置于靠背组件背面的右侧,里面装有引导伞和主伞。引导伞依靠弹伞枪弹出。最初采用弹簧弹射,结果在一次试验中,降落伞因卷在假人手臂上无法开伞,为此进行了改进。弹伞枪固定在靠背组件前面的右上方。主伞直径5.5米(一说8.54米)。
气球伞包安置在靠背组件背面的左下方,里面的气球伞是一个用尼龙布制成的直径1.2米、长1.4米的圆柱体,外表面涂有防热铝层。别看它的体积不大,可是作用却不小,能使航天员在高空保持稳定状态。
救生包内备有航天员救生用的13种用品,例如救生筏、太阳帽、太阳镜、水壶、食品袋、医药包、刀具、海水淡化剂、海水染色剂、无线电信标机等。救生包共有两个,分别放在靠背组件前面的左侧和后面的左上方。
动力装置为筒形火箭弹射器,它的内筒是一台直径85.3毫米、长1.2米的火箭发动机,燃烧时间0.27秒,可产生3758千克推力,比美国空军的F-104飞机使用的火箭大25%。
弹射座椅安装在圆台形座舱的底部,坐在上面的航天员面朝座舱小头端。每张座椅向外倾斜12度,两张座椅中间夹角呈24度。为了增加在发射台上救生时的弹射高度和距离,椅背以飞船横截面为基准向上倾斜8度20分。
弹射座椅如何弹射呢?原来,当航天员判断出火箭或者飞船出现意外需要紧急救生时,他将马上拉动一个D形的中央拉环。拉环平时藏在一个可滑动的小门内以防误操作,只有当飞船处在上升段和再入段时才处于可操作的位置。拉环只要被一名航天员拉动,就能启动点火机构,通过一种简称MDF的导火索(一种美国当时最猛烈的火工品)使两个舱门作动器工作,打开飞船舱门并锁定在开启位置,时间仅需0.25秒。
打开舱门的可靠性是关系航天员生命的第一道关口,必须万无一失。在一次不载人试验期间就出现过可怕事故:舱门因故障未及时打开,结果弹射座椅和上面的假人一起破门而出。航天员约翰·扬目睹了这恐怖的一幕,心中庆幸还好这是试验,否则眨眼之间航天员就粉身碎骨了。
在开启舱门的同时,舱门作动器的一部分燃气将点燃火箭弹射器的药柱,推动火箭发动机沿套筒完成787毫米行程,然后再点燃火箭发动机,将座椅迅速弹射出去。从拉动中央拉环到火箭发动机点火,时间仅0.33秒。弹射时,航天员将承受为时几毫秒的22g过载。
座椅弹出飞船后,装具释放作动器先将靠背组件和坐垫包与座椅结构解锁分离,1.51秒时将航天员连同靠背组件和坐垫包从座椅上推出。人椅分离后五秒钟,气球伞从伞包内弹出,五秒钟后充气张满。由于气球伞比航天员重量轻得多,因此总拖在航天员后面,从而起到稳定作用,直到2280米时被释放。
航天员下降到1740米时,弹伞枪射出引导伞,拉出主伞。与此同时,弹伞枪点燃火工品,切断航天服导管、电缆导线与坐垫包的连接,解开腰带,抛掉坐垫包和靠背组件。同时,系在航天员身上的一根绳索将救生筏和救生用品包从靠背组件上拉出,悬挂在航天员下面直到他安全降落。
特殊问题
与飞机的弹射座椅相比,“双子星座”号弹射座椅需要解决的基本问题大致相同,可是也有一些特殊问题必须解决,为此进行了大量研究和试验。
例如,在发射台上弹射就是一个最关键的问题。座椅能弹射多远,能不能弹射到安全范围?为了回答这个问题,研究人员使用假人进行了多次弹射试验,结果大多数落点在217米至310米范围内,最远时达341米。最后的结论是,弹射座椅可将航天员以15度角弹射到153米高,距离火箭305米远的安全地方。
另一个问题是弹射座椅可用于多少米高空救生,7弹射座椅救生高度的适用范围原定为0至21.3千米。可是,如果救生高度超过4570米,从肯尼迪航天中心向大西洋方向发射的飞船,弹射后将掉进大海,增大危险性;如果弹射时航天员负伤,危险性就更大。另外,弹射条件也存在很大的随机性,加上“大力神”二号火箭又在两次飞行试验中发生了爆炸事故,因此专家们认为让航天员留在舱内,利用制动火箭进行整舱救生更为安全。于是,从“双子星座”8号以后,随着航天员携带的应急供氧系统的取消,实际弹射高度被限定在4570米以下。
弹射时间的选择也是一个非常关键的问题。如果弹射过迟,航天员可能会碰到火箭或者爆炸产生的火球。经过研究,最后确定在火箭姿态出现显著摆动之前,即五度左右时弹射。
研究气球伞也花费了很大功夫。研究人员当时发现,假如火箭或飞船在12千米以上高空发生危险,航天员从飞船弹出后将面临两个严重问题:一个是缺氧、低压和低温等恶劣环境;另一个是在高速下降过程中打开降落伞时的冲击力可能超过40g,将给航天员造成很大危险。因此决定航天员先完成一段自由坠落,当下降到距离地面四五千米以下,速度减低到每小时193千米以下时再打开降落伞,这样一来可以降低开伞过载,二来可以使航天员摆脱低压、低温等恶劣环境。
可是,在高空高速下降中,由于气动力的作用航天员将绕着俯仰轴旋转。为了找到一种可靠的解决方法,研究人员先用气球将假人带到27千米的高度空投,得出了旋转速度和下降速度。然后,美国空军又组织跳伞人员进行了高空跳伞试验,最终找到了一种有效方法,即用一种在高空张开的气球伞稳定自由下降的人体。
为了研制这种特殊的降落伞,美国又进行了一年多的试验,包括风洞试验、假人空投试验和跳伞员高空跳伞试验。试验证明气球伞在整个下降过程中很平稳,甚至不像普通降落伞那样剧烈摇摆。
“双子星座”号飞船共发射过12艘,其中10艘是载人飞船,而且全部圆满成功,因此弹射座椅从未使用过。不过,有一次倒是差点就用上了。1965年12月12日,“大力神”二号火箭点火1.2秒后,发动机突然自动关机。“双子星座”6号飞船航天员希拉和斯塔福德沉着冷静,临危不惧,危险关头没有启动弹射座椅,在众目睽睽之下保住了飞船。