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美國商業(yè)載人飛船被卡在新式逃逸系統(tǒng)上,難道是創(chuàng)新的錯?

作為銳意進取、不斷創(chuàng)新的神榜樣,馬斯克的這碗高湯,我喝定了。

  眼下,美國商業(yè)載人航天計劃挺尷尬,SpaceX載人龍飛船、波音星際飛船全都卡在發(fā)射逃逸系統(tǒng)上,一個無限期推遲,一個有限度推遲試飛——難道這是巧合,還是另有隱情?

  今年4月20日,佛州卡角一聲爆炸,震驚航天界。這讓一路高歌猛進的載人龍飛船戛然而止。

  載人龍飛船為了測試發(fā)射逃逸系統(tǒng),例行靜態(tài)點火,突然起火爆炸,飛船、測試臺瞬間變得面目全非。

  不幸的是,這艘飛船就是幾周前漂亮第一飛的DM-1飛船,不是替身。

  盡管目前SpaceX和NASA都還沒有公布事故調查進展(周四NASA稱調查需要時間),但可以肯定的是,這起爆炸與龍飛船發(fā)射逃逸系統(tǒng)脫不開干系。

  載人龍飛船如此遭遇,波音星際飛船也好不到哪里去。

  2018年7月,星際飛船在一次發(fā)射逃逸系統(tǒng)測試點火時,發(fā)動機出現推進劑泄漏事故,盡管沒有起火爆炸,但導致飛船首次試飛一再推遲。

  發(fā)現沒?這兩艘載人飛船事故都集中在發(fā)動機上,難道純屬巧合,還是設計的錯?

  我們知道,載人龍飛船和波音星際飛船之所以裝配發(fā)動機,主要是為了發(fā)射逃逸系統(tǒng)。

  什么是發(fā)射逃逸系統(tǒng)?

  當發(fā)射載人飛船時,一旦出現不可逆轉的致命故障(比如火箭爆炸解體),就會立即啟動發(fā)射逃逸系統(tǒng),讓載人飛船最快速脫離事故火箭,逃離危險區(qū),利用降落傘安全著陸。

  發(fā)射逃逸系統(tǒng)(Launch Escape System,縮寫LES),也叫發(fā)射中止系統(tǒng)(Launch Abort System,縮寫LAS),這是載人航天必備的應急逃生系統(tǒng)。

  ▲來看看NASA最新公布一段視頻:獵戶座飛船測試發(fā)射中止系統(tǒng)的模擬畫面,全過程描繪得清清楚楚。

  作為下一代深空載人飛船,獵戶座飛船計劃今年7月2日測試發(fā)射逃逸系統(tǒng)。NASA寄希望于2024年發(fā)射該飛船實現重返月球計劃,美國宇航員再度登月。

  最早在美國水星計劃開始使用,一直到現在,包括現役的和未來的載人飛船:俄羅斯聯(lián)盟號、中國神舟飛船、美國獵戶座、印度Gaganyaan加加亞安飛船。

  這些載人飛船有一個共同之處,發(fā)射逃逸系統(tǒng)全部采用「拉拽」模式,讓載人飛船最快速飛離危險區(qū)。

  整個發(fā)射逃逸系統(tǒng)中有一個主要裝置,這就是「逃逸塔/逃生塔」Escape Tower。

  逃逸塔長得就像一個尖尖的細長尖塔,其實就是安裝在載人飛船頂部的一套小型固體燃料火箭。

  以運載神舟飛船的中國神箭「長征二號F」為例,具體說說發(fā)射逃逸系統(tǒng)——

  火箭發(fā)射后120秒之內,飛行高度39公里之下,一旦火箭發(fā)生意外,立即啟動逃逸主發(fā)動機(1臺),以70多噸推力、3秒之內,把神舟飛船(返回艙)拽離火箭1.5公里開外。(因為這個階段使用逃逸塔救生,也叫有塔逃逸。當然發(fā)射順利的話,飛行120秒時就會拋掉逃逸塔)

  火箭發(fā)射120~200秒,飛行高度39~110公里,這期間一旦發(fā)生意外,立即啟動高空逃逸發(fā)動機(4臺),拉拽神舟飛船逃離危險區(qū)。(因為這個階段已拋掉了逃逸塔,一旦啟動發(fā)射逃逸系統(tǒng),就叫無塔逃逸

  火箭發(fā)射超過200秒,一直到飛船進入軌道之前,這期間一旦出現致命故障,就要采用大氣層外整艙救生方式,讓載人飛船傘式陸地著陸或者海上濺落等。

  當然除了逃逸發(fā)動機外,逃逸系統(tǒng)裝置還有分離發(fā)動機、偏航俯仰發(fā)動機、降落傘等等,需要一起配合逃逸飛行。這里就不細說了。

  應該說,這是一套最傳統(tǒng)最可靠的逃逸方法。能夠做到快速反應,安全可靠,環(huán)環(huán)相扣,無縫銜接。

  逃逸塔也被譽為保障宇航員的「生命寶塔」。

  最近一次啟用逃逸塔的實例,早在1983年9月26日,蘇聯(lián)發(fā)射聯(lián)盟號飛船T-10-1時,火箭在發(fā)射臺突然起火,就在爆炸前兩秒,啟動逃逸塔,拉拽飛船飛到2000米高度,最終讓載人飛船安全降落在4公里外。這是人類航天史上迄今唯一一次成功使用逃逸塔。

  至于2018年10月11日聯(lián)盟號火箭折戟事故,發(fā)生在升空119~121秒,大約50公里高度,一個推助器刮碰到核心助推器,升空第122秒啟動彈道中止模式(屬于高空逃逸),13分鐘后飛船安全著陸在距發(fā)射場400公里外,幸好俄美兩名宇航員有驚無險。

  這是一次無塔逃逸的成功實例,盡管沒有用到逃逸塔,卻再次證明整個發(fā)射逃逸系統(tǒng)(發(fā)射中止系統(tǒng))的關鍵作用。載人航天,第一要務就是安全,必備一套安全救命的發(fā)射逃逸系統(tǒng)。

  總結一下:目前最傳統(tǒng)最主流的發(fā)射逃逸系統(tǒng):采用拉拽模式,借助固體燃料火箭外力,快速拉拽飛船遠離危險區(qū),不同階段啟動不同逃逸裝置。

  與之不同的是,一種創(chuàng)新式發(fā)射逃逸系統(tǒng):采用推離模式,飛船自帶發(fā)動機(推進器),使用液體推進劑,快速推離事故火箭。

  要知道,率先采用這種新模式的,正是美國新一代商業(yè)載人飛船——SpaceX載人龍飛船、波音星際飛船。

  之所以采用新式發(fā)射逃逸系統(tǒng),有幾個優(yōu)勢:

  ①采用液體推進器系統(tǒng),重復使用性高,發(fā)射總成本低,可以多次、多種環(huán)境啟動,低空、高空、太空都能使用(一機多用:發(fā)射中止系統(tǒng)推進器、真空推進器)。

 ?、诓捎米詭七M器,不必像拉拽模式那樣分階段拋掉逃逸裝置,而是提供從發(fā)射臺一直到入軌的全程式逃逸能力,這樣可以簡化操作程序,減少航天污染,降低危險系數。

  具體來看看,這兩款載人飛船的新式發(fā)射逃逸系統(tǒng)(發(fā)射中止系統(tǒng))——

  載人龍飛船

  CrewDragon/Dragon2

  盡管不是SpaceX最早提出,卻是最先實現、應用的。

  載人龍飛船發(fā)射逃逸系統(tǒng)的核心驅動裝置是 SuperDraco thrusters 超級天龍座推進器,是一款打磨多年、幾經迭代的龍飛船推進系統(tǒng),最初設計理念主要是為了實現龍飛船垂直著陸,用于未來登陸火星。

  這款推進器采用嵌入式設計,直接嵌在飛船(乘員艙/返回艙)船體,一共4組,每組兩臺,共計8臺超級天龍座推進器。使用混合自燃型液體推進劑(甲基肼+四氧化二氮),推進劑容量1.388噸??扇β释七M燃燒25秒,每臺產生推力71千牛(7.2噸),相當于獵鷹1號火箭紅隼發(fā)動機的兩倍推力,獵鷹9號火箭梅林發(fā)動機推力的1/9,下一代猛禽發(fā)動機的1/26。

  一旦啟動發(fā)射逃逸系統(tǒng),載人龍飛船能夠在不到1秒鐘,可加速到近160公里/小時,持續(xù)推進6秒,飛船最高速度達555公里/小時。

  2012年經受過58次點火測試;2013年采用3D打印技術制造;2014年經受80多次點火測試。

  ▲2015年5月6日,載人龍飛船首次進行發(fā)射逃逸系統(tǒng)實測,漂亮演示全過程,從發(fā)射臺點火達到最高點,最后傘式海上降落,大獲成功。第一視角驚心動魄,驚險刺激。

  2017年龍飛船垂直著陸功能被NASA否決,簡化功能后,只作為發(fā)射中止推進系統(tǒng)、真空推進器、再入飛行減速。

  2019年3月2日,首次無載人試飛執(zhí)行DM-1任務,沒有使用推進器。

  2019年4月20日,地面靜態(tài)點火測試,起火爆炸。事故原因正在調查中。

  一些可靠信源顯示:起火爆炸是在推進器點火前,這意味著很可能是推進劑貯存箱破裂或者泄漏,導致二元推進劑(甲基肼與四氧化二氮)意外混合自燃。

  目前來看,這起事故后果很嚴重,影響巨大——徹底打碎了載人龍飛船一路高歌猛進的勢頭,打亂了美國商業(yè)載人航天元年的一系列部署,促使NASA、SpaceX甚至美國航天界緊張、謹慎起來。

  原計劃7月25日這艘載人龍飛船執(zhí)行DM-2任務,首次搭載宇航員真人試飛,看來有可能無限期推遲,樂觀估計:很可能滑到2020年。

  波音星際飛船

  Boeing’s CST-100 Starliner

  其實,波音是最早宣布采用創(chuàng)新式發(fā)射逃逸系統(tǒng)的,之后卻被SpaceX載人龍飛船趕超。說的沒有做的快,波音遲遲沒能造出飛船來。

  波音星際飛船設計的推進器系統(tǒng),不像龍飛船那樣,直接嵌在乘員艙(返回艙)船體,而是安裝在服務艙。這意味著只用于發(fā)射逃逸系統(tǒng)和真空驅動,飛船再入返回時不再帶回,而是連同服務艙一起留在軌道,最終再入燒掉。

  這套推進器系統(tǒng)一共配備4臺RS-88發(fā)動機,每臺可產生4萬磅推力(相當于18噸,總推力要比載人龍飛船大)。一旦啟動逃逸系統(tǒng),能夠在極短時間內推離阿特拉斯5型火箭。

  這套推進器并非波音自行設計,而是由美國航天發(fā)動機制造商Aerojet Rocketdyne提供。不過,迄今為止尚沒有確切消息稱,星際飛船如同載人龍飛船那樣,進行過發(fā)射逃逸系統(tǒng)實測,測試計劃一變再變。

  就在2018年7月,星際飛船在一次地面靜態(tài)點火時,出現推進劑泄漏事故,盡管沒有起火爆炸,但導致飛船試飛計劃一再延誤。

  就在前不久,NASA公布了波音飛船首次無載人試飛時間表,從今年4月滑到8月。而按照波音一貫的拖延癥,再加上龍飛船爆炸事件的連鎖效應,很可能意味著:今年底之前,波音飛船能夠首次試飛就相當不錯了。

  關鍵問題再次凸顯:這兩艘載人飛船事故都集中在新式發(fā)射逃逸系統(tǒng)上,這只是純屬巧合,還是設計的錯?

  難道選錯了方向,不該選擇新式發(fā)射逃逸系統(tǒng)?

  講真,就目前已有的有限信息來看,還不能做出明確判斷。

  但從理論上說,錯不太可能錯在系統(tǒng)——創(chuàng)新式發(fā)射逃逸系統(tǒng)上,只可能錯在某個被忽視的具體細節(jié)上。要不然,在此之前的N次測試中早就暴露出了大問題。

  這就像去年12月6日SpaceX發(fā)射第16艘貨運龍飛船時,一級火箭預計陸地著陸卻意外墜海,因此就徹底否定火箭著陸回收系統(tǒng)。獵鷹火箭著陸失控真相大白,第一現場目擊海上漂

  其實出錯的真實原因也不復雜:控制柵格翼的液壓泵失靈了,導致無法調整火箭飛行姿態(tài)。而這種液壓泵都是單根管路,沒有備用的。

  從今以后多設計一根液壓泵就是了。事實上,這正是馬斯克的解決問題思路。

  試錯越多,成功越多。

  成功成熟,都是從失敗中一路搶渡過來的。

  沒有走不出的陰影,沒有過不去的失敗。

  作為銳意進取、不斷創(chuàng)新的神榜樣,馬斯克的這碗高湯,我喝定了。

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