神舟十一號飛船降落地點;神舟13號降落過程視頻
載人航天,人命關天,航天員的安全始終是載人航天工程的頭等大事,搭載航天員的船箭組合體是由十幾萬個零件組成的工業品,同時飛船與火箭還搭載著數百噸的推進劑,任何一個環節出現不可逆的故障都會對航天員產生致命影響,因此確保航天員的性命無憂需要一整套貫穿任務始終的救生方案。
神舟飛船發射
神舟號飛船是當今全球經過實際載人任務檢驗的三款載人航天器之一,該型飛船執行任務時規劃了六大應急救生功能,分別是待發段應急撤離與逃逸救生、發射段大氣層內應急救生、發射段大氣層外應急救生、軌道運行段應急救生、返回段應急救生、著陸后應急救生。
每一個逃逸救生階段都需要相應的著陸場加以保障,內蒙古四子王旗阿木古朗牧場著陸場是載人航天工程一步走與二步走兩階段的主著陸場,進入空間站階段后東風著陸場成為唯一的主著陸場。
內蒙古四子王旗阿木古朗牧場著陸場
東風著陸場
然而僅依靠主著陸場并不能滿足航天員全任務周期內的救生需求,比如NASA前不久執行繞月任務返回地球的獵戶座飛船就因為主著陸場氣象問題轉而著陸于墨西哥下加州附近海域備份著陸場。
獵戶座飛船返回艙在備份著陸場降落
十九年前俄制聯盟TMA-1載人飛船也曾偏離原定著陸點400公里,返回艙著陸后兩個多小時地面搜救人員才找到,五十七年前,上升2號載人飛船也偏離著陸點數百公里,搜救人員花了3天時間才找到著陸地球后的宇航員。
載人飛船返回艙通常以升力控制式彈道降落主著陸場,但在太空任何一個微小的偏差都足以導致“失之毫厘謬以千里”的誤差,比如聯盟TMA-1載人飛船就是因為以較大角度的彈道式返回才導致的大距離偏差,在降落過程中一根主傘傘繩斷裂,這就是因為彈道式再入的過載過大導致。彈道式著陸不具有航向調控能力,因此著陸精度弱于升力控制式。
神舟號載人飛船也曾遭遇類似問題,六年前搭載景海鵬與陳冬兩名航天員的神舟十一號載人飛船返回艙就曾偏離原定著陸點一百多公里,按照計劃該飛船返回艙應著陸于內蒙古四子王旗阿木古朗牧場主著陸場,最終卻降落在朱日和鎮。
神舟十一號返回艙與推進艙分離
神舟十一號返回艙偏離預定著陸點一百多公里
據知情人士披露,這是因為當天西北風太大,將返回艙吹到了東邊。事實上也確實有氣象因素干擾的情況,載人飛船返回艙從太空返回地球通常要經歷動力減速、氣動減速、降落傘減速三大階段,其中動力減速與氣動減速是受控的,但是經過開傘點打開主降落傘后降落過程就處于不受控階段,因為主降落傘不是可操控航向的翼傘。
試想一下,神舟十一號返回艙落點只是偏差一百多公里,如果偏差更大降落在了國外又該怎么辦?
凡事預則立不預則廢,早在載人航天工程啟動伊始我們就已經為這種極端情況做好了準備。
神舟號載人飛船六大應急救生功能及其對應的著陸場:
待發段應急撤離與逃逸救生
待發段應急撤離指的是航天員進艙后至火箭起飛前,此時船箭組合體若出現不可逆的致命故障,航天員經由發射塔架的“逃逸滑道”進入“地下掩體”。
載人航天發射塔架配置的“逃逸滑道”
待發段逃逸救生指的是航天員進艙后,接通逃逸塔功能,至船箭組合體發射前30分鐘時間段內,一旦出現致命故障,逃逸飛行器實施零高度逃逸飛行救生,此逃逸功能與發射段的有塔逃逸流程一致。
保障零高度逃逸飛行救生的著陸場就是現今的主著陸場“東風著陸場”。
發射段大氣層內應急救生
發射段大氣層內應急救生包含“有塔逃逸”與“無塔逃逸”兩種模式,對應兩種逃逸飛行器構型,即“有塔逃逸飛行器”與“無塔逃逸飛行器”。
CZ-2F載人火箭的逃逸飛行器組成部分
有塔逃逸與無塔逃逸
火箭點火起飛前30分鐘至起飛后120秒時間內均由“有塔逃逸飛行器”負責航天員的逃逸救生任務,一旦火箭出現致命故障有塔逃逸飛行器第一時間攜飛船軌道艙與返回艙與火箭分離,脫離危險區后分離搭載有航天員的返回艙,返回艙通過主降落傘安全降落至地面。
火箭起飛120秒后,逃逸塔分離,此時就要由“無塔逃逸飛行器”負責航天員的逃逸救生任務,其流程與有塔逃逸飛行器一致,兩種逃逸飛行器均配置有逃逸主發動機、分離發動機。
發射段大氣層外應急救生
火箭起飛后約200秒,此時逃逸塔與整流罩均已分離,飛船暴露在外層空間中,此時一旦出現致命故障需要飛船自主逃逸救生,飛船第一時間與火箭末級分離,待飛船與火箭拉開足夠的安全距離后,飛船的軌道艙、返回艙、推進艙三艙兩兩分離,返回艙自主實施再入大氣層返回任務。
火箭整流罩分離后,神舟飛船暴露在外層空間中。
發射段大氣層內應急救生與發射段大氣層外應急救生都屬于“上升段應急救生”,火箭上升段劃過陸地的省區有內蒙古、甘肅、寧夏、陜西、山西、河北、山東,在長達1860公里陸上軌跡區域內,考慮到地形、行政區劃、航空救援能力等因素共設立3個陸上應急著陸區,分別負責長度500公里、630公里、730公里,寬度100公里的區域。
上升段的陸上應急著陸帶與海上應急著陸帶
神舟飛船返回艙配置兩艘充氣式救生船,一艘單人,一艘雙人。
海上應急救生試驗
上升段當船箭組合體飛行351秒后若應急返回則會在海上降落,此時若讓飛船自由下落那么最大下落范圍將超過5000公里,極大增加了救援難度,但可以利用飛船自帶的推進劑進行軌跡調整,可以將海上下落范圍控制在2115公里范圍內,為此劃設A、B、C總計3個海上救生區,范圍分別是955公里、800公里、360公里,起點位置是連云港至終點關島以東太平洋海域,3個海上救生區分別配置不同數量的救撈船與搜救直升機。
軌道運行段應急救生
飛船進入軌道運行段后如出現太陽翼沒有正常展開,亦或者制導、導航、控制分系統故障,飛船可實施自主應急彈道式返回,此時著陸在國外的概率較大,為此在全球范圍內劃設10個自主應急著陸區,其中3個在境內,另外7個在國外,國外著陸區分布在澳大利亞、美國、南美、北非、中東等地區。
神舟飛船發射任務中的帶狀禁航區與方塊狀禁航區
神舟飛船發射任務既有帶狀禁航區也有方塊狀禁航區,后者顯然不屬于火箭上升段,而是用于飛船進入外層空間軌道運行段的自主再入返回救生。
國外著陸主要按照國際航天救援條約,依靠國際救援組織進行。上世紀六十年代,聯合國就通過了《營救宇宙航行員、送回宇宙航行員和歸還發射到外層空間的物體的協定》,該協定主要內容如下:
1.凡獲悉或發現宇航員發生意外、遇險或緊急降落時,應立即通知發射當局和聯合國秘書長,立即采取一切可能的措施營救宇航員,向其提供一切必要的幫助,將被救的宇航員安全迅速地交給發射當局的代表;
2.凡獲悉或發現空間物體或其組成部分返回地球,應通知發射當局和聯合國秘書長,根據發射當局的請求,尋獲該空間物體或其組成部分,并應在發射當局的請求下歸還給發射當局的代表;
3.如發現或尋獲的空間物體或其組成部分具有危險和有害性質時,發現當局應立即采取有效措施,消除可能的危險;
4.履行尋獲和歸還空間物體或其組成部分義務所花的費用,應由發射當局支付。
早在神舟五號任務實施之際,服務自主應急返回的7個國外救生區的劃設就在外交和技術方面做好了準備。
神舟飛船返回艙再入大氣效果圖
返回段應急救生與著陸后應急救生依托的主要是東風主著陸場。
東風著陸場回收多用途飛船縮比返回艙
自神舟十一號任務后,神舟十二號任務始,神舟號飛船就對返回控制系統做出了重大改進,應用了具有世界領先水平的自適應預測制導技術,大大提升了著陸位置精度控制。
神舟推進艙外攝像機拍攝畫面
神舟飛船推返組合體動力減速
神舟飛船返回艙再入大氣層
技術提升的同時也要看到,不論有多么周密的準備,也要將一切危及航天員安全的情況考慮到位,比如運營超過半個世紀的聯盟系列飛船現在正在遭遇著新的考驗,目前對接于國際空間站的聯盟MS-22飛船就遭遇了微流星體撞擊,以致于不得不考慮啟動應急救援程序,即再發射一艘飛船去接應在軌航天員。
當我們看到一艘艘神舟號飛船圓滿完成任務高光時刻的同時,也要銘記那些幕后為了“載人航天,人命關天”八個大字默默奉獻的人們,他們在做好救援準備的同時,也在期盼著他們做的這些工作屆時統統派不上用場。