航天飞机的安全防护与救生方案

航天 · 2016-10-31 18:43:14

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目前，航天飞机的安全与救生是人们最关注的焦点，它关系到航天飞机甚至“国际空间站”的命运。在美国航天飞机停飞2年多期间，美国投入了大量的人力、物力和财力，对航天飞机的安全与救生技术进行了细致的研究和改进。经各方确认，航天飞机已达到安全使用标准，可以重返太空。 　　　　昔日太空悲剧 　　　　自载人航天中至今，已有22名航天员丧生。1961年3月23日，被确定为苏联首航太空的航天员邦达连科在充满纯氧的舱内训练时，因舱内着火而死亡，成为第1个遇难的航天员。1967年1月27日，美国在进行载人飞船地面联合模拟飞行试验时，又是由于意外起火，阿波罗号飞船指挥舱内的3名航天员在几十秒钟内被烧死。1967年4月23日，苏联航天员科马罗夫上校乘坐联盟1号飞船进入太空后，飞船屡次出现故障，几经努力难以修复，在返回地面时飞船降落伞又出意外，无法打开，致使飞船以每秒100多米的速度冲向地面，科马罗夫当场被摔死。1971年6月30日，苏联联盟11号飞船顺利完成与礼炮1号空间站交会的任务后，在再入大气层前，返回舱和轨道舱分离，但连接两舱的分离插头分离后返回舱的压力阀门被振开，密封性被破坏，返回舱内的空气从阀门处泄漏，舱内迅速减压，在着陆前30分钟3名航天员因急性缺氧和体液沸腾而死亡。 　　　　最惨的是美国航天飞机的2次事故，因为它不仅导致2架价格极其昂贵的航天飞机化为乌有，而且使14名太空精英血撒碧空。 　　　　1986年1月28日，美国挑战者号航天飞机在第10次飞行时，在升空73秒后，由于右侧助推火箭密封装置出现问题，造成燃料外泄，航天飞机发生爆炸，7名航天员当场遇难。 　　　　2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机在返回着陆前16分钟，在美国得克萨斯州60千米的上空解体，机上7名航天员全部丧生。 　　　　航天飞机安全吗？ 　　　　其实，很早就有人对航天飞机的安全提出过批评。一是航天飞机是人货混用，而不是象宇宙飞船那样分载人飞船和货运飞船，所以用航天飞机发射卫星时需有数名航天员陪着上天，这样做既不经济，也不安全；二是美国自认为其航天飞机可靠性极高，所以没有采取安全救生措施，因为安装救生设备很麻烦。 　　　　自从1986年1月28日美国挑战者号航天飞机升空时发生爆炸，航天员全部丧生之后，航天飞机的安全救生问题就摆上了极为重要的位置。美国对剩余的哥伦比亚号、发现号和阿特兰蒂斯号3架航天飞机进行了283项改进，其中主发动机35项，固体助推火箭140项、飞行软件100项，外贮箱8项，另外还有发射设施50项。它们包括重新设计和制造固体助推火箭发动机连接处垫圈，更新航天飞机的防热系统，提高主发动机的可靠性和工作寿命，等等，其中最大的改进是吸取了血的教训，在轨道器上增添了航天员撤离滑梯，并配备了整套航天员逃逸系统，一旦发生意外，逃逸系统能在90~100秒内从空中弹射出去，它经海军伞兵66次跳出试验，结果是成功的。美国在非洲北部增设了2个迫降跑道，供航天飞机在发生事故时紧急迫降用；还改进了发射塔上的应急滑行吊篮和滑索系统，对发射场周围的温度、雷电等发射气象限制条件也制定了更加严格的标准。 　　　　经过2年多的改进，1988年9月29日，美国航天飞机终于恢复了飞行，担纲失败后首次飞行任务的是发现号航天飞机。 　　　　为了填补挑战者号爆炸造成的空缺，保持航天飞机群的整体规模，美国于1987年开始耗资近30亿美国制造了1架新的航天飞机奋进号，并于1992年5月7日进行了首次发射，这架航天飞机在设计指标上有所改进，例如，在轨道器后部增加了1个低温贮箱，故能携带更多的燃料，使航天飞机在太空持续飞行28天左右；配备了一项直径13米的着陆减速伞，从而减少了着陆起落架与制动器上的拉力，缩短了机场跑道长度；在舱内新增了先进的抽水马桶和空调设备；增大了机身前段中层的空间，用于存放更多的食品、衣物和个人用品；用1个新型的废物管理系统和1个可去除CO2的再生装置替代了原设计的氢氧化锂系统；装备了先进的卫星导航系统。它是现有的4架航天飞机中最先进的。 　　　　1995年~1998年，美国又在航天飞机上增加了对接系统，使航天飞机先后与俄罗斯和平号空间站成功对接9次，为“国际空间站”建造奠定了基础。 　　　　关于在载人航天中发生重大事故的可能性，就美国航天飞机而论，从1981年第一次飞行到2003年哥伦比亚号失事，共飞行了113架次。1986年1月挑战者号失事以后，事故调查委员会的专家估计，航天飞机每100次飞行中就可能发生1次有人员伤亡的重大事故；1996年美国国会又进行了一次估计，每145次飞行中可能发生1次重大事故。目前美国还剩3架航天飞机，这些航天飞机已经飞行了76次，如果每一架航天飞机的使用寿命是100次，据美国有关部门最近进行的估计，这3架航天飞机未来发生重大事故的可能性是98.8%。 　　　　相比之下，俄罗斯的联盟号系列飞船号就是世界上最安全的飞船，飞行37年，仅发生过两起重大事故。所以，似乎宇宙飞船比航天飞机的安全性更高。 　　　　几种救生方案 　　　　在挑战者号航天飞机爆炸后，美国除了对剩余的3架航天飞机进行了283项改进外，一些专家还提出过不少其他有关航天飞机安全与救生的设想，例如，在航天飞机的机首为航天飞机驾驶员安装类似战斗机飞行员使用的弹射座椅，在机舱内安装一个救生舱，以便其他3～5名航天员在航天飞机发射和降落时呆在救生舱里。一旦危险发生，正副驾驶员将被弹射出航天飞机，救生舱则启动火箭脱离航天飞机，然后打开降落伞着陆。不过，经过多次研究，新的救生系统方案并没有实施，这主要是因为所需费用昂贵，而且还必须解决克服救生系统带来的各种技术难题。预计为每架航天飞机安装救生系统的费用可能超过10亿美元，而且很占地方，本身也不安全。 　　　　链接：无论是弹射救生座椅还是救生座舱，都会占据航天飞机内本来就不宽裕的空间，减少每次飞行任务的有效载荷。而且，救生座舱本身就是一个微型航天器，需要精密的生命维护系统，在发生事故时，一旦救生座舱受损害，就将威胁航天员，很难保证救生座舱在突发事故中能挽救航天员的生命。专家们还指出，所有这些救生装置本身就是潜在的危险源，因为它们都需要火箭推动，这些火箭一旦发生意外点火的情况，将对整个航天飞机造成致命威胁。 　　　　有鉴于此，美国航空航天局原打算迟至2007年“国际空间站”建成之后，再考虑救生装置的问题。然而，2003年2月1日，哥伦比亚号在返回时解体，再次引发安全救生的大讨论。 　　　　航天飞机在起降时最容易出事。挑战者号航天飞机是发射时失败的。哥伦比亚号航天飞机在返回前解体的。故障主要出现在动力装置系统、控制系统和结构系统。其原因也是多方面的，如按其性质来分大致有设计上的原因；生产过程中带来的缺陷；元器件质量不稳定；环境的影响；操作失误等。挑战者号就是因为其右侧固体火箭助推器上的装配接头和密封件因天气较冷而失效，使固体推进剂燃烧的高温燃气通过破裂的密封圈泄漏出来，引起装有液氧、液氢的外贮箱爆炸。 　　　　航天飞机太复杂，稍有不慎就会全军覆没。例如，它里面有3500个重要的分系统和250万个零部件，只要其中的1个分系统或零部件失灵，就可能导致重大事故。航天飞机就像1枚可以飞行的巨型炸弹，其2个固体火箭助推器可产生3×106千克的推力，每秒钟要燃烧5吨的燃料；而它的3台主发动机则产生5.4×105千克的推力，使用的是704吨容易挥发的液氢和液氧。所以，它是一个高度危险的随时都可能爆炸的巨系统。 　　　　那么，有没有救生手段和措施呢？有，而且有关方案现有多种，但很不完善，因为其中不少处在研究和实验中，没有经过实践的检验以确定各自的有效性。现有的方法或设想是： 　　　　航天飞机在发射塔架上和处于上升阶段发射故障时，能通过应急脱离航天器的高速升降机及半自由下降和下滑钢索来救生，还有个人弹射座椅以及配备专用的逃逸救生装置。 　　　　在轨运行时若出现危险，可利用航天飞机中的安全救生设备(如航天服等)，紧急时还可发射救生飞船或航天飞机把航天员接回来。此时，自救也很重要，因为航天飞机中都备有应急药品和救生器材。 　　　　具体的一种救援方案是：发射另一架航天飞机，利用个人营救装置和载人机动装置，把遇险的航天员救回。个人营救装置是一个可容纳一人的小型球状体，未穿航天服的航天员可进入球体内，拉上出入口拉链即被密封，充气加压后成为球状，球内备有必要的饮食和3小时呼吸用的氧气，可以等待外界营救。 　　　　在返回阶段，目前尚无专用的系统援救航天员，主要靠备份系统来保证返回的安全。现有人提出采用类似飞机采用的弹射救生技术，但这种技术在航天器上尚未真正实现。苏联的暴风雪号航天飞机上采用了此项技术，但是其真正起作用的飞行高度有限，也不可能解决类似哥伦比亚号航天飞机这个高度上的救生问题。 　　　　在下降着陆过程中遇险时，能靠弹射座椅和减速装置救生。如果着陆后落入非预定地域时，可利用个人救生物品，如通信设备、口粮、水和自救装备来等待救援。这时装备给航天员的野营与救生工具最起作用。 　　　　当然，还是要以预防为主，因为不是所有能够想到的故障都能有办法解决。在载人航天中首先应尽可能采取措施使航天器不出现故障，即使出现故障也可以继续工作(即“故障-工作”设计思想)。只有在出现不能正常工作的情况下，才采取保障航天员生命的措施。 　　　　健全的安全文化是关键 　　　　一般人以为，哥伦比亚号失事仅仅是航天飞机防热瓦造成的,即它是一次技术事故。但空难事故调查委员会最终认为,它是由于技术、管理甚至文化等多方面原因造成的。 　　　　2003年8月26日，哥伦比亚号空难事故调查委员会公布了这起空难原因的最终报告。报告中得出结论为：虽然现在的航天飞机并非一定不安全，但是近期需要改进许多机械装置以使航天飞机更安全。此外，航空航天局的管理体系对于远期管理航天飞机系统是不安全的，航空航天局没有强大的安全惯例。哥伦比亚号重演了挑战者号的悲剧，而其“责任人”是航空航天局、国会和白宫。航空航天局文化毁了哥伦比亚号，如果再不改弦更张，那么“悲剧将会重演”。 　　　　报告指出，导致这架航天飞机解体的直接原因是：哥伦比亚号发射升空81.7秒后，外贮箱外表面脱落的一块泡沫材料撞击到航天飞机左翼前缘的防热瓦而形成裂缝。当哥伦比亚号重返大气层时，超高温气体从裂缝处进入机体，直接导致航天飞机解体。但是，报告毫不客气地强调：“航空航天局的疏忽和那块泡沫一样致命！” 　　　　报告认为：凭借哥伦比亚号现行的设计构造，航天员们在事故发生时根本没有可能幸存。而航空航天局没有独立的安全计划，缺乏“高效安全文化”和有力的制衡机制，不善于学习和总结，从未表现出一个高科技机构应当具备的特点。 　　　　调查委员会称，哥伦比亚号飞行期间，航空航天局的工程师就已经知道其左翼在起飞过程中曾受到泡沫材料的撞击，可能会产生严重后果，而且当时也有办法补救，但这些情况并未引起有关人员的重视。这说明，造成哥伦比亚号解体并非技术原因，而是因为缺乏强有力的管理。航空航天局以为自己拥有强大的安全文化，这就是航空航天局最可怕的“盲点”。 　　　　除了追究航空航天局的责任之外，调查报告还将美国国会和白宫也“数落”了一番。报告指出，10多年以来，航空航天局都在奇缺的预算中挣扎。另外，在过去10年中，航空航天局承受了“国际空间站”的压力，在预算紧张的情况下，航空航天局不得不大量裁员。报告中写道：“白宫、国会和航空航天局高层不断施加压力，要求减少或冻结航天飞机的操作费用。而最终导致的结果是，安全和技术支持被耽误，航天飞机的构造得不到及时改进。” 　　　　另外，为了赶进度，航空航天局不惜一次又一次地冒险，就是在一次又一次的“侥幸心理”中，哥伦比亚号7位勇士的英灵永远地留在了蓝天…… 　　　　链接：这份报告对航空航天局的组织文化及其在这一事故中扮演的角色进行了猛烈的抨击。报告称：“导致这一事故的组织原因深深扎根于航天飞机项目的历史和文化当中，包括发射时间压力、资源方面的限制以及重点任务的先后次序不明确等。航空航天局的组织文化可以说对于导致这起事故的发生起到了与泡沫防热瓦脱落相同的负面影响。” 　　　　调查委员成员指出：“在挑战者号航天飞机失事后，航空航天局似乎并没有吸取教训，在安全问题的态度上并没有做出多大改进。”航空航天局一味追求航天飞机的发射进度，安全管理日益松懈，再加上受资金短缺问题困扰，最终导致哥伦比亚号带着问题上天，不幸毁灭。如果这些长期、反复的缺陷得不到解决，下一次事故将是不可避免的。航空航天局在资金、日程安排和安全问题上出现了冲突。不幸的是，他们最终舍弃了安全。” 　　　　链接：报告主要的建议包括航天飞机应具备在轨检查和修复能力、防范外贮箱泡沫脱落以及在美国侦察卫星的帮助下对航天飞机进行更好的观测等。 　　　　新的建议还包括制定一个“与现有资源相一致的”航天飞机飞行时间表，创建一个独立的技术工程机构和单独的安全机制等。报告也为航空航天局提出了一些更长期的目标，包括对航天飞机数百千米长的连接线缆进行检查，以确保在未来10年航天飞机处于良好的工作状态。 　　　　在详细分析了原因之后，航天飞机事故调查委员会初步建议：①重新设计燃料贮箱和贮箱的泡沫绝热层，彻底消除泡沫脱落现象；②研究在轨调整航天飞机的相关技术，对在轨航天飞机进行检查；③扩大航天飞机发射时地面对其拍摄和雷达探测的范围；④改进热防护系统，研究修复碳碳防热瓦的方法；⑤在航天飞机及发射设施上安装多台摄像机，以便拍摄更多的发射图片，尤其是拍摄夜晚发射图片；⑥研究改变航天飞机返回时的轨道，尽可能使机翼前缘和防热瓦的加热温度降低;⑦加强对航天飞机起飞垫的维护，尽量减小起飞垫上锌涂层的磨损，以便进一步保护航天飞机脆弱的热防护系统；⑧更新计算机软件程序，以准确地预测出任何物体对飞行中的航天飞机的撞击程度。　　　　航天飞机事故调查委员会认为，航空航天局在经过上述实施一系列改变之后，就可以恢复航天飞机的发射。航天飞机于2005年重新升空，但它的安全问题是否得到根本解决还需试目以待。（庞之浩）　　　　来源：新浪科技

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