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载人飞船依然是最安全的——写在联盟号发射事故后
送交者:  2018年10月13日05:28:27 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话



北京时间2018年10月11日16时40分,俄罗斯联盟MS-10载人飞船在拜科努尔航天中心,由联盟-FG运载火箭发射升空。由于突发故障,任务失败,原计划前往国际空间站的两名航天员平安返回地面。

这是自1986年挑战者号航天飞机失事以来,世界上又一次严重的、可能危及航天员生命的发射事故,许多人对载人航天的安全性感到忧虑。笔者将与各位读者一起进行探讨。


一.联盟MS-10的初步事故经过

通过互联网直播的发射实况,我们得以获得事故的第一手资料。


联盟-FG火箭在发射之初是正常的,直播画面也有舱内航天员的画面,但在发射后2分钟左右,舱内信号发生卡顿。最后1秒钟的画面(视频3分47秒)显示,两名航天员搭在膝上的手臂突然大幅度向上飘起,切换的画面显示这是火箭一二级分离的时刻。


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这里要说明的是,与一般的火箭级数定义稍有不同,联盟系列运载火箭把四台捆绑式助推器作为“第一级”,将与助推器一起点火的芯级称为“第二级”,将“第二级”脱落后点火送飞船入轨的称为“第三级”。联盟号的“第二级”和“第三级”对应一般定义中的第一级(芯一级)与第二级。

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联盟-FG运载火箭的结构简图

联盟号火箭脱胎于洲际导弹R-7,为了使四个圆锥形“第一级”顺利安装,前苏联的航天先驱们把它的“第二级”——也就是芯一级的中下部直径缩小。“第一级”的工作时间只有118秒,而“第二级”则要燃烧280秒。

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采用“修身”造型的联盟系列火箭“第二级”

回到发射现场,俄罗斯电视台的直播信号给出了另一个角度的分离画面:

联盟火箭在一二级分离时,其四个“第一级”助推器会对称地向远方飞去,就像在天空中画出一个巨大的十字——这就是“科罗廖夫十字”。正常的分离应该是下面这样的:

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但在联盟MS-10的发射中,我们看到在“第一级”分离的时候,火箭末端突然喷出了大量白色烟雾,随后的“科罗廖夫十字”也显得支离破碎,似乎有碎片飞出。

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在一段时间的地面跟踪镜头后,画面切换到动画演示,飞船通信恢复——这是发射后157秒,按发射时序,整流罩应当分离。随后的通话显示,火箭遭遇推进器故障,舱内警告声清晰可辨。根据通话记录,发生故障的准确时间是(莫斯科时间)11:42:17,火箭发射于(莫斯科时间)11:40:15,因此我们可以确定推进器故障发生在发射后122秒。

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根据上图中联盟-FG火箭的典型发射时序,故障发生在逃逸塔分离后8秒,助推器分离后4秒。结合视频材料中的大量白色烟雾,在“一二级分离”中出现故障导致箭体损伤的可能性不能被忽视。

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R-7系运载火箭的“一二级分离”过程如上图所示:在圆锥形“第一级”仍然工作的状态下,首先切断下部连接,让四个助推器绕上部连接点旋转;当达到临界角度时,上部连接点断开,氧化剂箱压力阀打开,将四个助推器向外推,形成上文提到的“科罗廖夫十字”。考虑到视频中能看到四个助推器与疑似碎片一起脱落,笔者给出一个可能的故障原因:“第一级”的某个或某几个助推器的氧化剂箱压力阀未能按计划开启,导致助推器和芯级发生了碰撞。


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由于故障发生时逃逸塔已经分离但尚未抛整流罩,联盟MS-10最有可能的救生方式是通过整流罩上的四台分离发动机RDG与出现故障的火箭进行分离。与逃逸塔分离类似,飞船的轨道舱和返回舱将一同被整流罩“拽”离火箭,随后返回舱从整流罩组合体中分离,进行弹道再入。

在分离后,乘组报告感受到失重,并在弹道式再入时感受到了6.7g的加速度,这是一个较为安全的数值,随后飞船起旋,加速度进一步降低,直播中断。

最新消息,根据塔斯社援引俄副总理鲍里索夫的发言,逃逸系统在T+123秒激活,飞船在大约50千米高度与火箭分离。这证明,联盟MS-10应当是人类历史上首次成功的整流罩逃逸。

大约在莫斯科时间11:47,发射后7分钟,事故后5分钟,联盟MS-10飞船成功着陆,两名宇航员身体状态良好,胃口也不错。

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另一个有趣的巧合是,联盟MS-10发射时,在国际空间站上工作的德国宇航员亚历山大·格斯特恰巧拍下了发射失败的火箭:

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二.43年前的类似事故

作为人类历史上发射次数最多的火箭和载人飞船系列,联盟号火箭和联盟号飞船都在不断的挫折和故障中发展出很高的可靠性。如果从联盟号飞船近140次载人飞行中选取一次事故与本次失利进行类比,笔者认为应当了解一下1975年4月5日发生的那次事故。

1975年4月5日,指令长V·G·拉扎列夫与工程师O·G·马卡洛夫搭乘联盟18号飞船前往礼炮4号空间站,执行长达60天的驻留任务。当地时间14:03,联盟号火箭点火升空。起飞后288秒,乘组正在等待“第二级”(即芯一级)分离,但感受到比之前执行的联盟12号任务更严重的偏航与滚转。这时仪表板突然显示“助推器故障”,舱外发动机声音消失,舱内警报大作,随后乘组处于失重状态。

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联盟号火箭的“第二级”和“第三级”是通过桁架连接的,通过引爆爆炸螺栓分离。但是过大的火箭摆动角度令程序控制器发生错误,过早地向其中一部分螺栓发出了起爆命令,而提前引爆的螺栓又摧毁了另一部分螺栓的电路。因此在“第三级”点火时,火箭还拖着一个大而无当的“尾巴”。尽管“第三级”火箭的推力能够将“尾巴”吹掉,但火箭也因额外的气动阻力和干扰偏离了轨道。在T+295秒,联盟号飞船的陀螺仪检测到飞行的摆动角度超过10°的安全界限,因此自动启动了逃逸程序。

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联盟号飞船与“第三级”火箭分离,推进舱点火,在飞船三舱分离之前将其带离危险区域,随后进行弹道式再入。根据指令长扎卡列夫的回忆:“我们渐渐受到重力缓慢的、令人不适的牵引,重力增加得很快,超出我所想象的。一股看不见的力将我压向坐椅,眼皮像灌满了铅,呼吸开始变得越来越困难。过载压迫着我们,使我们无法说话,吞掉了所有声音,只剩下喘息声。我们尽最大努力承受着过载。”

事后调查显示,这次弹道再入中,乘组承受了14到15个g的过载,其中峰值过载更是高达21.3g。随后,飞船成功降落在距离中国边境800千米左右,积雪深达1.5米的野外。经管历经磨难,两名航天员都以良好的状态活了下来,甚至还与以为他们已经牺牲的美国同行踢了一场足球赛。

这次事故由于没有构成轨道飞行,苏联并没有赋予其“联盟18”的正式编号,而称之为“4月5日异常”,在美国方面的记录中,也称其为“联盟18A”。

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“4月5日异常”与联盟MS-10相比,发生事故的飞行时间更长(T+295秒),高度更高(达到150千米,超过冯卡门线),弹道式返回承受的重力更大,救生方式为船箭应急分离——即飞船整体与火箭分离,依靠推进舱脱离危险区。

令人欣慰的是,这两次事故都成功挽救了宇航员的生命,如果再算上1983年联盟T-10-1的逃逸塔逃逸,可以说联盟号飞船已经把发射阶段的主要逃逸救生程序都执行了一遍,且全部取得成功。如果说载人航天的风险不可避免,设计师的使命就是通过切实可靠的手段,确保航天员的生命安全。正如在国际空间站拍下联盟MS-10事故的指令长亚历山大·格斯特所说:“今天的事件证明,‘联盟’号飞船很优秀,能够在类似的事故中挽救宇航员的性命。


事实再一次证明,载人飞船依然是人类最可靠,最值得信赖的天地往返工具。


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