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号飞船非平常着陆,重返舱非正常降落原因查明

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【新华社莫斯科2008年1月29日电】
去年10月,俄“联盟TMA-10”载人飞船返回舱在返回地面过程中采用了弹道方式降落。俄罗斯方面29日公布的最新调查结果表明,导致该返回舱非正常降落的主要原因是控制台的电缆受损。

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  近日,MS-10飞船的失事吸引了很多人目光。唯一的好消息是,MS-10上的宇航员通过逃生系统将返回舱从火箭和飞船主体上分离,并成功地安全返回地面。那么,载人飞船作为安全率要求最高的人造飞行物,是怎么样设置逃生系统的呢?

俄塔社援引俄“能源”火箭航天集团总裁维塔利•洛波塔的话说,事故调查委员会现已查明,在“联盟TMA-10”飞船返回舱的降落过程中,控制台一根电缆受损,直接导致了返回舱以弹道方式降落。他表示,“能源”火箭航天集团将采取一切措施,避免今后出现类似情况。

“联盟”TMA-11飞船非正常着陆

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“联盟TMA-10”飞船去年10月21日搭载国际空间站第十五长期考察组的两名宇航员和首位马来西亚宇航员返回地球。由于返回舱以弹道方式降落,其落点偏离了预定地点约200公里,不过三名宇航员均安全无恙。

[本站2008年4月28日报道]
4月19日,载有三名乘客的“联盟”TMA-11飞船再入大气层时,出现重大故障。飞船降落在哈萨克斯坦阿尔卡雷克市附近,着陆点偏离预定地点约420千米,着陆后引发附近灌木起火。

  图为发射前的联盟载人飞船(来源:俄罗斯航天局)

飞船返回舱通常情况下不采用弹道方式降落,这种降落方式会使宇航员承受高于普通情况的作用力,降落过程也更加颠簸。俄航天专家说,“联盟”飞船返回舱正常降落时宇航员需要承受相当于4倍重力加速度的作用力,但在“联盟TMA-10”飞船返回舱降落过程中,三名宇航员承受了相当于8倍重力加速度的作用力。

事故原因可能与“联盟”号的模块舱未正常分离有关。正常情况下,进入大气层前,“联盟”TMA-11
飞船利用分裂螺栓使三个模舱正常分离,宇航员进入中间的降落舱,该舱具有热防护功能。但“联盟”TMA-11再入过程中,较低的推进模块舱未能立刻与降落舱分离,导致飞船非正常进入大气层,舱门位于飞行前端,而不是隔热罩。降落途中,舱门严重损坏,返回舱天线遭焚毁,宇航员无法与地面飞行控制中心沟通。

  逃逸塔和低空逃生

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  火箭在进行发射载人飞船的任务时,除了某几个例外,都会安装逃逸塔。逃逸塔本质上就是安装在火箭顶端的一个小火箭,当火箭在发射中发生严重故障甚至起火爆炸时,逃逸塔能够把飞船的返回舱从火箭上分离,然后启动主发动机,把飞船从爆炸的火箭“拽出来”。

联盟号飞船三个模块舱分离示意图,中为乘员舱

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“联盟”飞船当天采用弹道方式降落,降落轨迹更陡,降落过程也更加颠簸,同时导致飞船上宇航员在降落时经受了最高10倍于地面上正常重力的引力作用。专家说,弹道方式降落也属于正常情况。美国NASA负责太空飞行运行的助理局长称,俄罗斯全面检查飞船之后,才能提供调查报告,需要1个月的时间。目前李素妍与另外两名宇航员状态良好。

  图为联盟-FG火箭,其前端的如同避雷针一样的结构就是逃逸塔(来源:俄罗斯航天局)

据悉,类似的分离问题在此前也出现过。2003年俄“联盟”-TMA-1飞船返回舱着陆时,由于返回舱控制系统部件发生故障,导致返回舱以弹道方式降落,大大偏离预定着陆点。

  事实上,这个装置看起来就像是变大的飞机弹射座椅,原理其实也是一样的。在低空,逃逸塔要做的第一步不是把宇航员带到地面,正相反,应该是带到更高的高空。因为只有在进入高空之后,飞船的返回舱才能分离。

2007年10月俄“联盟”TMA-10载人飞船返回舱在返回地面过程中也采用了弹道方式降落。随后俄方公布的调查结果表明,导致该返回舱非正常降落的主要原因是控制台的电缆受损。

  联盟飞船顶部的固体火箭将把整流罩和飞船一起带入高空,接下来飞船将会从底部脱离,并脱离高空返回使用的防热大底,然后启动降落伞和反推火箭。

  1983年9月26日,苏联准备发射联盟T-10-1飞船,然而在火箭点火后却发生故障,火箭主体被点燃,发射台则被燃烧放出的浓烟包围,此时联盟T-10-1飞船启动逃逸塔,并被带入高空离开即将爆炸的火箭。

  逃逸塔是传统载人火箭的宝贝,但是航天飞机和SpaceX公司的“龙”飞船并没有安装逃逸塔。而另一方面,逃逸塔在高空中并不能起到很大的作用,因此火箭发射之后不久就会抛弃逃逸塔。

  高空紧急返回技术

  若飞船进入高空之后出现故障,此时将进行的是高空紧急返回。

  任何飞船都要返回地球,而返回的路径通常有三种,分别是弹道式返回、弹道-升力式返回、滑翔式返回和跳跃式返回。在正常情况下的返回路径通常选择后面几种,因为他们相对而言更加安全、加速度更低,承受的摩擦热量可能也要较小。

  本次的联盟MS-10飞船事实上就是在抛离逃逸塔的情况下进行的一次高空返回。正常情况下,联盟飞船使用的是弹道-升力式返回,钟型的飞船结构让其在进入大气层时能够产生升力。因此,联盟飞船的正常下降轨道看起来更像是一个曲线,飞行时间更长,而宇航员所受到的加速度也较低。

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  图为联盟飞船的弹道式再入和正常再入的轨道图示,蓝色为弹道载入(来源:航天爱好者)

  而弹道式返回则顾名思义,联盟飞船会就像是一个炮弹一样落到地面,这种方式会有极高的重力加速度,对于宇航员来说很危险,但是在紧急状态下却很有效。与此同时,弹道式下降的另外一个问题是极其难以控制落点,飞船可能会落入森林或者山谷,在这种颠簸地形中,飞船可能会反复翻滚,造成二次受伤。

  1975年,联盟号T18a飞船也发生了事故,此时的T18a比MS-10的高度要高得多——高达145千米,而在这种情况下进行的一次紧急弹道式返回虽然成功的返回地面,但是宇航员却承受了高达21.3g的重力加速度——如此之高的g值足以让一个普通人瞬间死亡,不过万幸的是,T18a的两位宇航员只是受伤。

  龙飞船创新性的逃逸方法

  龙飞船是飞船中的特例,由于其拥有极其强大的飞船引擎,因此其不需要逃逸塔。如果在地面上或者低空时发生事故——尤其是在NASA所担心的燃料加注阶段,龙飞船的发动机将在1.2秒内将飞船加速至数百公里每小时的速度从火箭结构脱离。

  接下来的局面就像是一次普通的返回过程,龙飞船将启动降落伞,然后降落——优先是海面降落。

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  图为龙飞船(来源:SpaceX)

  这样的设计方案把轨道姿态调整引擎和逃逸引擎结合在一起,相当于省下了一个逃逸塔的重量。另一方面,飞船顶部由于没有逃逸塔的存在,气动外形被进一步优化,从而提高了运载火箭的有效运力。不过,这种新颖的模式是否可靠,仍然需要时间的检验。

  出品:科普中国

  作者:矛隼工作室

  监制:光明网科普事业部

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