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美国商业载人飞船被卡在新式逃逸系统上,难道是创新的错?

三体引力波 三体引力波 2019-05-14

眼下,美国商业载人航天计划挺尴尬,SpaceX载人龙飞船、波音星际飞船全都卡在发射逃逸系统上,一个无限期推迟,一个有限度推迟试飞……

今年4月20日,佛州卡角一声爆炸,震惊航天界。让一路高歌猛进的载人龙飞船,戛然而止。载人龙飞船出事了,静态点火爆炸,后果很严重

载人龙飞船为了测试发射逃逸系统,例行静态点火,突然起火爆炸,飞船、测试台瞬间变得面目全非。

不幸的是,这艘飞船就是几周前漂亮第一飞的DM-1飞船,不是替身。

尽管目前SpaceX和NASA都还没有公布事故调查进展(周四NASA称调查需要时间),但可以肯定的是,这起爆炸与龙飞船发射逃逸系统脱不开干系。

载人龙飞船如此遭遇,波音星际飞船也好不到哪里去。

2018年7月,星际飞船在一次发射逃逸系统测试点火时,发动机出现推进剂泄漏事故,尽管没有起火爆炸,但导致飞船首次试飞一再推迟。

  • 发现没?这两艘载人飞船事故都集中在发动机上,难道纯属巧合,还是设计的错?

我们知道,载人龙飞船和波音星际飞船之所以装配发动机,主要是为了发射逃逸系统。

  • 什么是发射逃逸系统?

当发射载人飞船时,一旦出现不可逆转的致命故障(比如火箭爆炸解体),就会立即启动发射逃逸系统,让载人飞船最快速脱离事故火箭,逃离危险区,利用降落伞安全着陆。

发射逃逸系统(Launch Escape System,缩写LES),也叫发射中止系统(Launch Abort System,缩写LAS),这是载人航天必备的应急逃生系统。

▲看看NASA最新公布一段视频:猎户座飞船测试发射中止系统的模拟画面,全过程描绘得清清楚楚。

作为下一代深空载人飞船,猎户座飞船计划今年7月2日测试发射逃逸系统。NASA寄希望于2024年发射该飞船实现重返月球计划,美国宇航员再度登月。

最早在美国水星计划开始使用,一直到现在,包括现役的和未来的载人飞船:俄罗斯联盟号、中国神舟飞船、美国猎户座、印度Gaganyaan加加亚安飞船。

这些载人飞船有一个共同之处,发射逃逸系统全部采用「拉拽」模式,让载人飞船最快速飞离危险区。

整个发射逃逸系统中有一个主要装置,这就是「逃逸塔/逃生塔」Escape Tower。

逃逸塔长得就像一个尖尖的细长尖塔,其实就是安装在载人飞船顶部的一套小型固体燃料火箭。

以运载神舟飞船的中国神箭「长征二号F」为例,具体说说发射逃逸系统——

  • 火箭发射后120秒之内,飞行高度39公里之下,一旦火箭发生意外,立即启动逃逸主发动机(1台),以70多吨推力、3秒之内,把神舟飞船(返回舱)拽离火箭1.5公里开外。(因为这个阶段使用逃逸塔救生,也叫有塔逃逸。当然发射顺利的话,飞行120秒时就会抛掉逃逸塔)

  • 火箭发射120~200秒,飞行高度39~110公里,这期间一旦发生意外,立即启动高空逃逸发动机(4台),拉拽神舟飞船逃离危险区。(因为这个阶段已抛掉了逃逸塔,一旦启动发射逃逸系统,就叫无塔逃逸

  • 火箭发射超过200秒,一直到飞船进入轨道之前,这期间一旦出现致命故障,就要采用大气层外整舱救生方式,让载人飞船伞式陆地着陆或者海上溅落等。

当然除了逃逸发动机外,逃逸系统装置还有分离发动机、偏航俯仰发动机、降落伞等等,需要一起配合逃逸飞行。这里就不细说了。

应该说,这是一套最传统最可靠的逃逸方法。能够做到快速反应,安全可靠,环环相扣,无缝衔接。

逃逸塔也被誉为保障宇航员的「生命宝塔」。


最近一次启用逃逸塔的实例,早在1983年9月26日,苏联发射联盟号飞船T-10-1时,火箭在发射台突然起火,就在爆炸前两秒,启动逃逸塔,拉拽飞船飞到2000米高度,最终让载人飞船安全降落在4公里外。这是人类航天史上迄今唯一一次成功使用逃逸塔。

至于2018年10月11日联盟号火箭折戟事故,发生在升空119~121秒,大约50公里高度,一个推助器刮碰到核心助推器,升空第122秒启动弹道中止模式(属于高空逃逸),13分钟后飞船安全着陆在距发射场400公里外,幸好俄美两名宇航员有惊无险。联盟号事故结案:归咎于传感器

这是一次无塔逃逸的成功实例,尽管没有用到逃逸塔,却再次证明整个发射逃逸系统(发射中止系统)的关键作用。载人航天,第一要务就是安全,必备一套安全救命的发射逃逸系统。

总结一下:目前最传统最主流的发射逃逸系统:采用拉拽模式,借助固体燃料火箭外力,快速拉拽飞船远离危险区,不同阶段启动不同逃逸装置。

与之不同的是,一种创新式发射逃逸系统:采用推离模式,飞船自带发动机(推进器),使用液体推进剂,快速推离事故火箭。

要知道,率先采用这种新模式的,正是美国新一代商业载人飞船——SpaceX载人龙飞船、波音星际飞船。

之所以采用新式发射逃逸系统,有几个优势:

①采用液体推进器系统,重复使用性高,发射总成本低,可以多次、多种环境启动,低空、高空、太空都能使用(一机多用:发射中止系统推进器、真空推进器)。

②采用自带推进器,不必像拉拽模式那样分阶段抛掉逃逸装置,而是提供从发射台一直到入轨的全程式逃逸能力,这样可以简化操作程序,减少航天污染,降低危险系数。

具体来看看,这两款载人飞船的新式发射逃逸系统(发射中止系统)——

载人龙飞船

CrewDragon/Dragon2

尽管不是SpaceX最早提出,却是最先实现、应用的。

载人龙飞船发射逃逸系统的核心驱动装置是 SuperDraco thrusters 超级天龙座推进器,是一款打磨多年、几经迭代的龙飞船推进系统,最初设计理念主要是为了实现龙飞船垂直着陆,用于未来登陆火星。

这款推进器采用嵌入式设计,直接嵌在飞船(乘员舱/返回舱)船体,一共4组,每组两台,共计8台超级天龙座推进器。使用混合自燃型液体推进剂(甲基肼+四氧化二氮),推进剂容量1.388吨。可全功率推进燃烧25秒,每台产生推力71千牛(7.2吨),相当于猎鹰1号火箭红隼发动机的两倍推力,猎鹰9号火箭梅林发动机推力的1/9,下一代猛禽发动机的1/26。

一旦启动发射逃逸系统,载人龙飞船能够在不到1秒钟,可加速到近160公里/小时,持续推进6秒,飞船最高速度达555公里/小时。

2012年经受过58次点火测试;2013年采用3D打印技术制造;2014年经受80多次点火测试。

▲2015年5月6日,载人龙飞船首次进行发射逃逸系统实测,漂亮演示全过程,从发射台点火达到最高点,最后伞式海上降落,大获成功。第一视角惊心动魄,惊险刺激。

2017年龙飞船垂直着陆功能被NASA否决,简化功能后,只作为发射中止推进系统、真空推进器、再入飞行减速。

2019年3月2日,首次无载人试飞执行DM-1任务,没有使用推进器。

2019年4月20日,地面静态点火测试,起火爆炸。事故原因正在调查中。

一些可靠信源显示:起火爆炸是在推进器点火前,这意味着很可能是推进剂贮存箱破裂或者泄漏,导致二元推进剂(甲基肼与四氧化二氮)意外混合自燃。


目前来看,这起事故后果很严重,影响巨大——彻底打碎了载人龙飞船一路高歌猛进的势头,打乱了美国商业载人航天元年的一系列部署,促使NASA、SpaceX甚至美国航天界紧张、谨慎起来。

原计划7月25日这艘载人龙飞船执行DM-2任务,首次搭载宇航员真人试飞,看来有可能无限期推迟,乐观估计:很可能滑到2020年。


波音星际飞船

Boeing’s CST-100 Starliner

其实,波音是最早宣布采用创新式发射逃逸系统的。

之后却被SpaceX载人龙飞船赶超。说的没有做的快,波音迟迟没能造出飞船来。

波音星际飞船设计的推进器系统,不像龙飞船那样,直接嵌在乘员舱(返回舱)船体,而是安装在服务舱。

这意味着只用于发射逃逸系统和真空驱动,飞船再入返回时不再带回,而是连同服务舱一起留在轨道,最终再入烧掉。

这套推进器系统一共配备4台RS-88发动机,每台可产生4万磅推力(相当于18吨,总推力要比载人龙飞船大)。一旦启动逃逸系统,能够在极短时间内推离阿特拉斯5型火箭。

这套推进器并非波音自行设计,而是由美国航天发动机制造商Aerojet Rocketdyne提供。不过,迄今为止尚没有确切消息称,星际飞船如同载人龙飞船那样,进行过发射逃逸系统实测,测试计划一变再变。

就在2018年7月,星际飞船在一次地面静态点火时,出现推进剂泄漏事故,尽管没有起火爆炸,但导致飞船试飞计划一再延误。

就在前不久,NASA公布了波音飞船首次无载人试飞时间表,从今年4月滑到8月。而按照波音一贯的拖延症,再加上龙飞船爆炸事件的连锁效应,很可能意味着:今年底之前,波音飞船能够首次试飞就相当不错了。

  • 关键问题再次凸显:这两艘载人飞船事故都集中在新式发射逃逸系统上,这只是纯属巧合,还是设计的错?

    难道选错了方向,不该选择新式发射逃逸系统?

讲真,就目前已有的有限信息来看,还不能做出明确判断。

但从理论上说,错不太可能错在系统——创新式发射逃逸系统上,只可能错在某个被忽视的具体细节上。要不然,在此之前的N次测试中早就暴露出了大问题。

这就像去年12月6日SpaceX发射第16艘货运龙飞船时,一级火箭预计陆地着陆却意外坠海,因此就彻底否定火箭着陆回收系统。猎鹰火箭着陆失控真相大白,第一现场目击海上漂

其实出错的真实原因也不复杂:控制栅格翼的液压泵失灵了,导致无法调整火箭飞行姿态。而这种液压泵都是单根管路,没有备用的。

从今以后多设计一根液压泵就是了。事实上,这正是马斯克的解决问题思路。

试错越多,成功越多。

成功成熟,都是从失败中一路抢渡过来的。

没有走不出的阴影,没有过不去的失败。

作为锐意进取、不断创新的神榜样,马斯克的这碗高汤,我一饮而尽。


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