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载人火箭点火后万一遇到故障,航天员如何逃生?

创建时间:2022-03-15 09:26

长征2号F载人飞船运载火箭(简称长征2F载人火箭)是目前我国唯一一型用于载人发射的火箭,与众不同的就是它头顶上标志性的“避雷针”,这让它在长征火箭大家族中脱颖而出。


头顶上这个尖尖的“避雷针”叫逃逸塔,它与整流罩内的飞船相连,是逃逸系统的重要组成部分。可别小看这个逃逸塔,长征2F载人火箭飞行可靠性评估值0.9894,靠逃逸系统保障的航天员安全性评估值已达0.99996,这些数值的不断攀升都与逃逸塔息息相关。


逃逸飞行器

载人火箭与普通火箭在外形上最显著的一个区别,就是载人火箭的顶端安装着一个尖尖的逃逸塔。当火箭发生危及性命的紧急情况时,这个逃逸塔能够与其他火箭部件组成逃逸飞行器,带航天员迅速逃离危险区。


逃逸飞行器参加零高度逃逸救生飞行试验

以我国发射载人飞船的长征2F载人火箭为例,这种救生模式能够在火箭起飞前90秒至起飞后120秒的时间内,也就是火箭的飞行高度在0-39千米左右时使用。


为什么在这个时间段逃逸?

这是因为逃逸飞行器救生需要在火箭相关系统、部件全部就位且工作正常的情况下进行,而长征2F载人火箭的逃逸飞行器在火箭发射前30分钟才具备启动条件。因此长征2F载人火箭起飞前90秒才可以开始使用逃逸飞行器救生。而起飞后120秒是长征2F载人火箭逃逸塔分离的时候,之后逃逸塔离开火箭,航天员无法再使用逃逸飞行器救生。


逃逸飞行器

由于神舟飞船是三舱布局,而且装载在火箭中时从上至下依次是轨道舱、返回舱和推进舱。火箭的整个发射过程中,航天员都处在中间的返回舱。因此,设计人员在逃逸飞行器内部增加上、下支撑机构,便于逃逸时能够将整流罩部分和飞船返回舱连接起来。


逃逸塔

长征2F载人火箭的逃逸飞行器主要由逃逸塔、上部整流罩以及安装在整流罩上的高空逃逸动力系统、上下支撑机构、栅格翼和灭火装置等组成。逃逸飞行器的动力来自于逃逸塔,它的头部动力装置由多个固体发动机组成。


使用逃逸飞行器救生的过程大致是这样的:在火箭发射前90秒到起飞后120秒这个时间段内,火箭若是发生各种危及航天员生命安全的故障,逃逸塔会带着载人飞船迅速飞离火箭航向,到达安全的上空。随后,飞船返回舱会从逃逸塔中分离出来,带着航天员安全着陆到地面上。


更有意思的是,逃逸飞行器只有在火箭发生故障需要启动救生时,其内部机构才会锁紧,稳固地“抓住”载人飞船,实现逃逸救生。


简单来说,火箭正常飞行时,上、下支撑机构提供飞船与整流罩之间的弹性支撑,执行逃逸命令时,它们会同时锁紧,固定飞船。

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这是因为,上、下支撑机构各有3件,互成120°排列。其中,上支撑机构安装在整流罩的前锥段。正常飞行时,锁紧接头受到弹簧作用,始终与飞船保持接触,但内部有15毫米的间隙能够移动,因此可以实现对飞船的弹性支撑。


上支撑机构

下支撑机构安装在整流罩的后锥段。正常飞行时,下支撑机构受碟簧推杆作用,使曲梁前后的两个接头紧靠在载人飞船上,再加上接头内也留有活动间隙,因此也实现对飞船的弹性支撑。


下支撑机构

一旦开始执行逃逸任务,上、下支撑机构的各锁紧接头锁紧,其间能够运动的间隙就被消除了,对飞船的弹性支撑就转变为了刚性支撑,从而稳固飞船位置。


逃逸塔与火箭对接

与火箭、卫星、飞船动力系统在下部不同,逃逸飞行器的逃逸塔装在上部。这是为什么呢?而且,整流罩上为什么要加上栅格翼呢?


逃逸飞行器不仅需要带着航天员迅速逃离,更重要的是要保证飞船返回舱中的航天员的生命安全。这就要求逃逸飞行器尽量平稳飞行,不能出现航天员生理上无法承受的翻滚、旋转等飞行状态,需要确保逃逸飞行器的稳定性。


经过研究,发现有两种方法可以确保逃逸飞行器飞行的稳定性,一种是将质心前移,另一种是将压心,也就是空气对飞行器施加的力的作用点,后移。在逃逸飞行器上部增加配重可以实现质心前移,而在下部加翼可以实现压心后移


逃逸飞行器

不管用哪种方法,问题似乎都能够得到解决。然而,单独增加上部配重会占用火箭的运载能力,甚至有的火箭要使用上吨的配重,降低了火箭的运载能力。


单独采用配重的方法会降低火箭的运载能力

而后移压心,单独在下部加翼的设计世界上还没有采用过。这是因为,这种设计中的尾翼的尺寸必然较大,导致质量很大,使质心进一步后移,不能保证逃逸飞行器的稳定性。

最后,设计人员将这两种方法互相结合,使逃逸飞行器稳定性的问题得到了解决。现实生活中也有这样的例子,羽毛球通过加厚前部球壁使质心前移,同时后部采用很轻的羽毛使压心后移,这样,羽毛球在飞行中就具有了很好的稳定性。


羽毛球的设计采用了两种方法结合的方式

那么,在逃逸飞行器上是怎么实现的呢?设计人员将动力系统安装在了逃逸塔飞行器头部的逃逸塔和上部整流罩外侧,通过逃逸塔尾裙与整流罩相连。然后,在逃逸塔的顶部增加配重段,可以装下重达200千克的配重,能够有效调整逃逸飞行器的质心位置。


逃逸塔顶部增加了配重段

而压心后移则是通过逃逸飞行器下部安装的4块蜂窝式栅格翼实现的。平时,栅格翼收靠在整流罩上,逃逸时打开,与整流罩纵向成90°角。这样能使栅格翼可以最好地发挥升力作用,调整逃逸飞行器的压心后移。


逃逸飞行器上的栅格翼

在航天探索的过程中, “载人航天,人命关天”, 只有把安全放在第一位,我们的载人火箭才能飞得更远。

参考文献:

[1]中国航天科普:逃逸飞行器是什么?它是如何救助航天员的?

[2]中国航天科普:动力小火箭装在头上的奇葩飞行器:逃逸飞行器

[3]中国运载火箭技术研究院:长二F火箭的最大看点是什么?火箭设计师带你现场看

[4]中国运载火箭技术研究:你知道吗?长二F火箭有T和Y两个系列

End

综合资料来源:中国航天科普(ID:space-more)、中国运载火箭技术研究

本文转载自公众号:直观学机械


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