基本介紹
- 中文名：載人太空飛行器救生系統
發展背景,總體技術條件要求,不同階段的救生,發射台緊急撤離系統,發射上升段的救生,上升段高空應急救生,著陸衝擊救生,軌道上的救生方案,我國神州飛船應急救生系統,任務,技術要求,主要方案,
發展背景
自1961年前蘇聯成功地發射了世界上第一艘載人飛船以來，載人航天技術有了很大發展，人類就進入了太空時代。前蘇聯先後成功地研製和發射了東方號、上升號、聯盟號等系列載人飛船以及禮炮號和和平號空間站。在此期間，美國先後研製成功了水星號、雙子星座、阿波羅號等載人飛船以及天空實驗室和太空梭。隨著載人航天活動的發展，太空飛行的安全和救生問題也就顯得愈加重要。
為了保障太空人的生命安全，國外在載人太空飛行器的設計中均採取了一系列提高可靠性和確保飛行安全的措施，但還是難免發生這樣或那樣的事故，有的甚至危及太空人的生命安全。據統計，美國和前蘇聯1986年底以前共發生22次較嚴重的事故，占總載人航天飛行次數（116次）的19%。其中，發生在發射台上和起飛過程中的事故7次，占事故總次數的31.8%;發生在軌道飛行中的事故8次，占36.4%;發生在返回著陸階段的事故7次，占31.8%。在這22次事故中，一級事故有4次，占總飛行次數的3.45%，占事故總次數的18.2%;共有14名太空人喪生，約占總人數（327人次）的4.28%。
目前，載人航天飛行器的發展並沒育十分完善，從航天員進入座艙起，到著陸後離開座艙為止，只要航天員在航天飛行器內，都有發生危險的可能。航天飛行的安全不僅取決於載人飛行器、運載工具、發射裝置、測控設備以及搜尋救援設施等組成的航天大系統的安全可靠性，還取決於航天員的訓練質量、人一機系統的合理協調、航天員的健康條件以及地面飛行小組工作的可靠性，其中航天飛行器的安全救生就是最突出的問題之一。
總體技術條件要求
在航天過程中出現應急狀態時應給航天員提供必要的生命活動條件.以便在營救前所需時間內維持其生存和工作能力。要求載人航天飛行器艙內及出艙時必須具有：
預測、發現、辨認、限定和消除應急狀態的設施，以及航天員通報應急情況的設施；對於載人飛行器艙內周圍環境惡化方面的應急狀態，應備有航天員個人防護措施和個人生保措施。
航天員生命攸關的重要器官應有局部防護措施；
應急著陸（水上濺落）前後航天員生命活動的維持措施。
在載人飛行器漏氣時應有給居住艙充氣的設施及個人救生裝備。
航天過程中消耗性物品和材料應有應急儲備。
航天員出艙時應建立保障航天員身著航天服或個人營救囊外出到宇宙空間的條件；
為保障航天員能順利出艙，出艙閘門艙應能自動、遠距離或手動開啟。
不同階段的救生
載人太空飛行器的飛行過程包括發射、上升、下降和著陸，每個階段都有可能發生緊急情況，需要應急救生。
發射台緊急撤離系統
載人太空飛行器在發射台上準備發射和檢查試驗時，可能出現要求航天員緊急撤離太空飛行器、離開現場的情況，如發生火災、有毒氣體泄漏等。發射台上應急救生一般採用滑索-吊籃系統和發射勤務塔升降機系統。
滑索-吊籃系統美國阿波羅號飛船為使航天員儘快撤離飛船，設計了快速開啟艙門以及長約600米的專用斜拉索。快速開啟艙門可保證航天員在2〜3秒鐘內離開飛船，然後乘吊籃從98米的高度沿斜拉索降到安全區。另一種方法是在航天員離開飛船後，利用斜滑梯轉移到專用的斗車或具有良好防熱和密封性能的裝甲車中，離開危險區。垂直起飛的美國太空梭也採用了發射台滑籃救生系統。在應急時，航天員從應急艙口出來，通過發射台專設的橋形甬道進入滑籃，利用重力滑向安全區，時間約為35秒鐘，水平距離為365米。橋形甬道帶有防火防爆以及水霧幕等防護措施。
發射勤務塔升降機系統發射台上救生的另一種緊急撤離系統是發射勤務塔升降機系統。升降機裝設在太空梭勤務和出入設備內，在應急狀態下，可以將航天員從發射勤務塔輸送到發射台最底部，遠離發動機爆炸危險區，撤離時間為1.7分鐘。
發射上升段的救生
逃逸發動機救生系統逃逸發動機救生系統是太空飛行器在發射台及上升段低空的救生方案。它利用載人艙作為救生艙，用逃逸發動機將救生艙發射到一定的高度，再用降落傘系統回收著陸。美國水星號飛船在發射台上及主動段初始段就是採用逃逸發動機將飛船送到760米高度，然後開啟降落傘系統，飛船乘降落傘降落。逃逸發動機產生的最大過載為30g。 阿波羅號飛船也採用應急發動機救生系統（即逃逸發動機救生系統)方案。在發射前30分鐘至發射後30分鐘這段時間，隨時可以將救生艙發射到1220米高度，水平距離610米，脫離危險區，然後打開降落傘降落。前蘇聯/俄羅斯的聯盟號飛船應急救生系統除發射台緊急撤離裝置外，在地面人員離開發射台、工作塔架撤離現場的待髮狀態下，也採用了應急發動機救生系統方案。救生程式啟動後，救生髮動機先啟動，使飛船與運載火箭分離;通過控制發動機工作，保證救生系統偏離正常軌道；升至高空後，分離發動機將頭部整流罩脫離;主傘打開，返回艙乘主傘降落，並用著陸火箭實行軟著陸。
彈射座椅救生方案彈射座椅救生方案就是太空飛行器在發射台或飛行高度在20000米以下發生應急情況時，將人-椅系統一起迅速彈離太空飛行器，並保證人-椅系統在空中穩定減速，降落到一定高度時人椅分離，打開主傘，航天員乘主傘降落。
美國雙子星座號飛船就採用了彈射座椅方案，它可以在發射台上或飛行高度21300米以下時使用。在發射台上發生故障時，彈射座椅以與地面成15度角將航天員彈射到約152米高度，著陸時離開運載火箭約305米。在高空彈射時，應備有可使用15分鐘的供氧設備，並使用穩定傘使人-椅系統穩定。
前蘇聯設計的暴風雪號太空梭彈射座椅救生系統在發射台應急使用時，火箭發動機給出的速度為100米/秒，落點距發射台600米，彈射高度300米，8秒到達最高點，過載值為20g。在上升段高度小於25000米，馬赫數M不大於3時與普通飛機一樣救生。下降過程中應急時，附加發動機不工作，利用彈射座椅彈出。前蘇聯的東方號和上升號飛船也採用了彈射座椅作為應急救生和正常著陸設備。
彈射座椅救生方案
彈射座椅救生方案為了保證彈射座椅救生的可靠性，必須滿足以下條件：
彈射救生系統在工作過程中產生的過載必須在人體的耐受許可範圍內；
有效地防護航天員的臉部及四肢免受高速氣流的吹襲影響；
人-椅系統離開應急太空飛行器後，應保證處於穩定狀態；
必須順利離開危險區；
保證最低的彈射高度。
暴風雪號太空梭保證彈射座椅救生安全的措施有：①安全帶，每邊有1千牛的拉力，用來固定航天員，防止倒飛彈射時臀部撞擊椅盆而受到傷害。②限臂裝置，能在390米/秒下供救生用，此時若不加防護，作用在人體上的力為930兆帕。具有50毫米間隙的限臂板可以用拉力擊發器在0.05秒內伸出。③收腳系統，彈射時大腿抬起，防止氣流吹襲腹部，減輕壓力。④自動放下頭盔濾光鏡。⑤加穩定伸縮桿，防止座椅彈出後旋轉，保證高度穩定性。⑥倒向器/引向板，減小氣流吹襲頭部向上的推力。⑦頭靠墊，避免由於慣性力作用，頭部前傾，迎面氣流後推造成的頭部碰撞。由於採用可靠的防護措施，暴風雪號太空梭座椅彈射了300多次，無一損傷。西方國家的座椅損傷率為30%。
上升段高空應急救生
利用回收著陸系統太空飛行器在上升段高空應急時多採用飛船原有的回收著陸系統，因為在高空飛行有足夠的高度允許原有的回收著陸系統工作。雙子星座號飛船在21300米以上及飛船與運載火箭分離前，座艙可以靠啟動制動火箭脫離運載火箭，航天員在座艙內得到保護，並靠回收著陸系統安全著陸。
阿波羅號飛船在高空拋掉救生塔後，如遇到緊急情況，可以通過服務艙反作用推進控制發動機點火或服務艙主發動機點火，來啟動應急程式，指揮艙與運載火箭分離，服務艙被拋棄，指揮艙實現正常再入，並以正常回收著陸系統著陸。
太空梭飛行中的救生方案美國太空梭在主動段飛行中的緊急救生曾考慮過採用彈射座艙和彈射座椅的方案。由於研製經費和重量的原因，都沒有採用，而寄希望於太空梭本身的可靠性上。圖6為太空梭在爬升階段的4種應急處理模式：①返回發射場；②橫越大西洋或太平洋著陸；③繞地球一圈在美國本土著陸；④如果主發動機在飛行的最後幾秒發生故障，則利用機動發動機補充加速，將太空梭送入低軌道（185公里），然後在第一至第三圈間返回，在美國本土或澳大利亞的預定地區著陸。
太空梭本身雖然十分可靠，但挑戰者號上的7名航天員全部遇難的慘劇說明太空梭仍需考慮應急離機救生系統。彈射座椅在發射及上升段的使用受到限制，從發射台到1000〜1500米高度範圍內要把航天員彈離爆炸火球區或發動機排氣火焰區，所需的彈力超過了航天員的承受能力。如果高度超過13公里〜16公里，則要穿上笨重的壓力服，這種服裝能在高速、高空下保護航天員安全。因此太空梭上設定彈射座椅主要是用於著陸過程救生。
著陸衝擊救生
著陸衝擊救生系統載人太空飛行器在完成任務返回地面或應急救生返回地面都存在著陸衝擊的問題。載人太空飛行器在著陸的瞬間會產生較大的衝擊過載（人體安全耐受過載不超過15g)，衝擊過載值不僅取決於降落傘系統的性能，還與著陸點位置、地質、氣象、著陸角度以及著陸速度(包括水平速度)有關。例如，阿波羅13號飛船著陸時三頂主傘只打開兩頂，造成16g的衝擊;聯盟38號飛船著陸緩衝火箭失靈，造成衝擊過載高達50g;聯盟1號飛船的主傘未打開，飛船以高速著陸撞毀，航天員被摔死。可見一旦發生異常著陸，航天員就會受到高的衝擊過載，危及航天員的生命安全。
為了避免航天員受衝擊過載的傷害，應在工程技術上改進降落傘系統，增加著陸緩衝火箭以減小著陸速度，座椅上增設吸能桿保證人-椅系統的穩定性。防護裝置有：減振座椅、頭盔、椅墊、腰帶系統和緩衝器。設計座椅時一定要考慮地面衝擊的複雜過程，仔細分析人椅特點。聯盟號飛船在解決著陸衝擊時，曾用假人、真人，從一定的高度作下落試驗。聯盟號飛船應急著陸時，艙體過載值為70g，椅子20g，頭部7〜8g，胸部20g，腳部70g。
減振座椅最先在上升號飛船上使用。考慮到椅子可能翻轉、衝擊的部位和人的安全性，把座椅放在減振器上。水星號著陸角不大於5度，超過此角度對人體不利，所以水星號座椅下面有一個1.8米厚的減振器。阿波羅號減振裝置比較複雜，3個座椅固定在一個平台上，由4個減振器吊起來，可以擺動，側面有兩個減振器限位，艙底還有蜂窩結構減震。聯盟號椅子重20公斤，有一個減振器放在頭下，座上有托墊，頭部有保護措施。
束縛系統能夠使航天員在著陸過程中保持良好的體位，減少人體各部分之間以及人體與座椅之間的相對運動，防止翻轉，保證衝擊安全。東方號飛船、暴風雪號太空梭、聯盟號飛船等都採用了束縛系統。
軟著陸救生設備包括著陸緩衝火箭、著陸緩衝發動機，都是為了降低著陸速度而考慮的。聯盟號飛船設有主傘和救生傘，保證在足夠的開傘高度安全開傘，以減速到人體允許的著陸速度（10米/秒），採用著陸緩衝火箭實行返回艙的軟著陸後，著陸速度降為2米/秒。對於著陸緩衝發動機，阿波羅號登月艙著陸用的是液體發動機，返回地球表面著陸時，一般採用固體發動機。
尋找、生存、救護系統當航天員應急著陸後所處的位置不是預定地區時，需要使用尋找、生存、救護系統。東方號飛船考慮到了所有可能降落到的各種地方，所攜帶的個人救生物品達40多公斤。包括水、食品、無線電器材、蓄電池、皮船、手槍、漁具等。器材的數量夠三天使用。
太空飛行器著陸時，有可能濺落到海上或湖中，救生系統應考慮到水上濺落的保護措施，應能防止淹溺，防止冷水浸泡，防危險動物，要保證有水和食物，並配有水上救生物品以及信號和聯絡設備。雙子星座號、水星號和阿波羅號都是水上濺落（除發射台應急時為陸地降落外）。水星號只有在垂直降落時才安全，帶傾角入水時人的安全得不到保證；聯盟號不存在這個問題，它結構合理，入水後艙口在水面上，航天員離艙時穿有保暖服、抗浸服，可在冷水中呆24小時，在冰水中可呆12小時。該系統還應配備各種呼救器材和專門的救援體系，如飛機和救生艇等。
當航天員發生意外，降落到荒無人煙的沙漠地區時，生存的主要問題是炎熱缺水。因此除了像水上著陸一樣需攜帶聯絡工具、生活用品、急救包外，特別要注意備有一定量的淡水飲料、止渴片、防曬防裂油膏、有色風鏡等物品。
軌道上的救生方案
地面發射的營救飛行器當空間事故發生後，可以從地面發射載人或不載人的太空飛行器進入太空，和被營救的飛行器交會對接，救出航天員，返回地面。營救飛行器可以由運載火箭發射，也可以由太空梭發射。利用太空梭營救的優點是可以容納較多的人員，再入過載小，具有2000公里的側向航行能力，可以水平著陸。太空梭可以直接和遇險飛行器對接，也可以從太空梭上發射一個營救艙和遇險飛行器對接，救出航天員後返回太空梭。當對接不可能時，可以採用出艙活動安全設備進行軌道間乘員的轉移。對於從穩定狀態的遇險飛行器的氣閘艙或側艙口出來的航天員，可以用遙控機械臂系統進行營救。轉移的最好方法是將遙控機械臂直接與遇險的航天員的服裝或個人營救囊相接，將航天員送到營救飛行器的氣閘艙內。從穩定狀態的遇險飛行器上救人的另一方法是將遙控機械臂與遇險飛行器相接，提供飛行器之間的直接轉移途徑，或展開轉移器系統，如標準繫繩或環狀的曬衣繩裝置，以便航天員用手操作協助在飛行器之間的轉移。
對於不穩定的遇險飛行器，不能採用上述兩種方法，而要求航天員從遇險飛行器中身穿航天服或個人營救囊離開，由載人機動營救裝置對漂浮在空間的航天員進行救援。
軌道營救飛行器從地面發射營救飛行器所需的發射準備、上升、交會對接的時間很長，如果事先沒有準備，可能要花費數十天，即使有準備，也至少要一天至十數天。為了縮短時間，可以事先發射一個營救系統——軌道營救飛行器，進入特定的軌道駐留。當其它飛行器遇險時，軌道營救飛行器通過變軌，克服相位差，實現與遇險飛行器的交會對接，完成營救任務。
再入救生系統軌道救生還可以採取太空逃逸-再入-返回地球的方案，稱再入式救生系統。再入救生系統安裝在空間站或軌道器上。應急時航天員進入救生系統，與遇險飛行器脫離，經過離軌、再入、下降、著陸，實現安全救生。根據結構和工作方式不同，可分為展開式和固定式兩種。展開式系統存放在救生袋內，體積小，在應急救生時，藉助機械方法、充氣方法或化學方法被剛化。固定式又稱剛性救生系統，具有固定的結構形狀，可存放在飛行器內部，也可以對接在飛行器或空間站外面。
我國神州飛船應急救生系統
任務
在載人飛船飛行任務中，從航天員進艙起、經待發段、發射段、運行段、返回段、直到著陸後等待回收段航天員出艙為止，一旦出現危及航天員生命的故障或危險時，神舟號飛船應急救生系統在飛船其他系統以及發射場系統、運載火箭系統、測控通信系統、著陸場系統、航天員系統等系統的支持下，根據事先制定或臨時生成的方案與實施程式，實施應急救生，保障航天員的生命安全。
技術要求
載人飛船系統總體對應急救生系統的主要技術要求包括以下6個方面：
（1）待發段的應急救生，包括緊急撤離和零高度應急救生設計與驗證。
（2）發射段大氣層內救生，從火箭起飛至拋整流罩前的應急救生，由運載火箭的逃逸系統將飛船軌道艙和返回艙帶離危險區，返回艙從逃逸飛行器分離後，能自主地安全著陸（或濺落）。
神舟飛船逃逸系統
神舟飛船逃逸系統（3）發射段大氣層外救生，發射段拋整流罩後的救生，由飛船自主完成，降落或濺落在預定的應急著陸區內或將飛船送入設計的正常或異常軌道。
（4）軌道運行段應急返回，a. 在飛船運行段，出現壓力應急等故障，在無測控網支持的情況下，飛船應具有自主應急返回到應急著陸區的能力。b. 在運行段當飛船出現致命性故障時飛船可實施第2圈應急返回、彈道式返回、提前返回、航天員手控返回等模式；彈道式返回與提前返回可以著陸在主著陸場或副著陸場。
（5）返回段的應急救生，a. 在返回段初期當發生致命性故障（如第2次返回調姿故障）時，飛船應能推遲一天或兩天返回；b. 在返回段的其他階段採用備份方式實現故障狀態下的救生。
（6）著陸後的應急救生。
主要方案
待發射狀態應急救生
待發射狀態的應急救生可以釆取兩種方式，即緊急撤離和零高度逃逸。在應急救生的方案設計中，分別設計了緊急撤離的程式和方案及零髙度逃逸的飛行程式和方案。從航天員進艙後到發射前逃逸塔救生方式接通為止，一旦出現致命性故障情況，航天員只能採用緊急撤離的方式救生，這期間的主要救生手段是逃逸滑道和電梯。但當逃逸塔救生方式接通後，就需要對發生的故障進行判斷，決策採用緊急撤離還是零髙度逃逸，這除了需要地面指揮的決策正確外，更需要針對可能發生的故障制定詳細的故障預案。
零髙度救生的狀態相對較惡劣，重點是要保障返回艙能儘快離開危險區域，滿足最低開傘的要求，並且要保證返回艙的著陸點離危險區域保持安全距離。
大氣層內應急救生模式
大氣層內救生覆蓋的時間範圍為運載起飛後到運載拋整流罩這段時間。這段時間運載的速度、高度變化範圍很大，中間還有拋逃逸塔的動作，顯然很難用一套救生程式來覆蓋這個時間段。
為了適應不同的限制條件，對於分離時序採用了分段設計的方法，根據運載火箭彈道參數，結合飛船系統的救生設備和特點進行大量計算分析，將大氣層內時間段分為幾個不同的救生模式，不同的救生模式採用不同的計算公式，必要情況下充分利用飛船導航計算能力，根據導航參數實時計算軌道，對救生程式進行修正，使之滿足返回艙分離開傘等不同的限制條件。
大氣層內救生時序設計以及船箭時序匹配非常重要，直接關係到救生是否成功。為了保證船箭接口、時序的匹配，進行了大量的協調，商定了一個統一的時序匹配。經過大量分析與專家組的評審以及多次試驗，驗證上述時序符合逃逸救生的需求。
大氣層外應急救生模式
大氣層外救生覆蓋的時間範圍為運載拋整流罩後到飛船入軌這段時間。這段時間內整流罩已經拋掉，出現故障後飛船只能依靠自身的功能來應急返回或進入非設計軌道並適時返回。根據大氣層外不同時刻救生的特點，將發射段大氣層外救生分為不同的工作模式，採用不同的飛船控制模式。設計的重點是根據故障發生時刻的彈道速度、髙度等確定飛船是當圈返回還是進入非設計軌道，並要設計相應的救生程式，保證飛船能安全返回地面。神舟飛船大氣層外救生創造性的特點是充分利用了飛船變軌發動機能力，將飛船控制到預定落區或進入非設計軌道。
軌道運行段和返回段應急救生工作模式
（1）運行段的自主應急返回
運行段的自主應急返回是指在飛船的運行段，一旦出現需應急返同的情況，由航天員啟動自主應急返回，自主應急返回一律採用前彈道式再入方式。自主應急返回採用固化程式，地面可對其進行調整，因此，當飛船出現重大故障需要緊急返回時,航天員無需地面支持即可啟動自主應急返回，使得飛船返回到自主應急返回落區，最大限度地保障了航天員的安全。
通過合理地選取應急著陸區域，可以使得飛船發生故障後可以在規定的時間內返回地面。
（2）除自主應急返回外的其他運行段應急返回
除自主應急返回外的其他應急返回主要包括第二圈返回、提前返回、推遲返回等。為了應對飛船可能出現的各種故障，飛船還具備彈道式返回和航天員手控半自動返回等模式，極大地提高了飛船的安全性。
