今天,SpaceX要“炸掉”一枚火箭做载人飞船逃逸测试

2020年1月19日,太空探索科技公司(SpaceX)将会进行龙2载人飞船载人任务前的最后一次测试:一枚猎鹰9号火箭升空后不久,龙2载人飞船将会进行紧急逃逸机动,猎鹰9号火箭随后极有可能在空中解体或自主引爆。

用一枚火箭的代价,完成龙2载人飞船逃逸系统的测试。

今天,SpaceX要“炸掉”一枚火箭做载人飞船逃逸测试

一、为什么要测试发射逃逸系统?

载人航天,是航天技术中最闪亮的一颗明星。由于人类的存在,且人类自身血肉之躯极其脆弱,使得载人航天需要大量复杂技术确保人类的安全,例如需要特定的火箭、发射场、载人飞船、着陆场系统等,整体成本和技术复杂度陡增。因而,全世界仅有苏联/俄罗斯,美国和中国三个国家可以做到,中国也是在21世纪后才打破了苏美两国50年的技术垄断。

今天,SpaceX要“炸掉”一枚火箭做载人飞船逃逸测试

中国的长征2F是唯一的载人航天火箭,最典型特点是顶部的火箭逃逸系统(逃逸塔)

在载人航天工程的核心技术中,发射逃逸系统无疑是最重要的技术之一。一枚载人火箭,往往仅需10分钟左右就能将宇航员送入太空。从宇航员进入火箭顶部的载人飞船,直到进入太空过程,必须保证一旦发生紧急情况宇航员能迅速逃离火箭,发射逃逸系统成为他们求生的唯一可能。

因而,任何一款载人飞船和火箭,都必须经过极其严格的发射逃逸系统测试。

二、发射逃逸系统要求有多高?

火箭的本质是一枚可控燃烧的超级炸药。推进剂往往极度易燃、能量密度高、且占据了火箭整体质量的90%左右,这意味着它一旦发生危险后果不堪设想。例如苏联曾经的N1登月火箭重达3000吨级别,连续4次在发射期间爆炸,也都进入人类有记录的人工爆炸(非核)能量排行榜中。最终这个火箭任务宣告失败,也宣告了苏联登月梦想的破灭。

今天,SpaceX要“炸掉”一枚火箭做载人飞船逃逸测试

印度在2018年进行了本国载人航天计划的逃逸系统测试

当爆炸发生时,逃逸系统必须第一时间迅速工作,将宇航员尽可能安全带离火箭。但与此同时,又必须保证加速度不能太大,否则会对宇航员造成永久伤害,甚至死亡。既要控制好速度,又要控制好方向,难度很大。

例如,1983年的联盟T-10-1任务时就启用了逃逸系统,但是造成了最高达16倍的超重,对宇航员身体造成了极大影响。这相当于让一个人驾驶着时速600多千米的汽车在1秒内完全刹车造成的冲击力!

三、发射逃逸系统有哪些方式?

从技术上讲,目前主要有两类发射逃逸系统。

1.逃逸塔或推进逃逸系统

逃逸塔是目前最为成熟的逃逸方式,它的设计原理简单有效:采用超级强力固体燃料发动机,逃逸塔安装在火箭顶部、紧连载人飞船,当发生危险时迅速启动工作带着飞船逃离火箭。如果发射期间并未发生危险便会主动脱离。

这是世界载人飞船最主流的逃逸系统设计方式。美国的水星飞船、阿波罗飞船、猎户座飞船,苏联/俄罗斯的上升号飞船、联盟飞船,中国的神舟飞船,印度在研的轨道飞行器,都采用这种方式。

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波音的CST-100 Starliner采取底部服务舱推进方式逃逸

进入新世纪后,尤其是美国商业航天公司给出了另一种类似方案,不同之处在于他们采取逃逸动力系统在飞船本身或飞船底部服务舱的方式。美国SpaceX的龙2飞船,波音的CST-100 Starliner和蓝色起源的新谢帕德飞船,都是如此。

例如龙2飞船采取了可重复使用发动机和液体燃料,使得这一套逃逸系统能像飞船一样实现重复使用。

2.弹射方式

顾名思义,这种方式将宇航员弹射出飞船,宇航员再进行跳伞逃生。它的好处在于能实现起飞和降落时都能保护宇航员。但坏处也显而易见:风险太大。

因而,这种技术只有在航天技术尚未成熟阶段使用过。典型案例是苏联东方号飞船,加加林和瓦莲京娜就是靠它分别成为了世界首位男性宇航员和女性宇航员,但他们最后返回地球时需要被弹射出去自行跳伞。

当时为了争取世界首位,面临的风险是现在无法想象的。

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双子座12次发射任务,没有逃逸塔存在

美国双子座飞船也设计成弹射方式,不过这是由于火箭特点和原计划的返回技术特点(滑翔翼返回)导致的。即便原定返回方式最终被取消,但苏美登月竞赛背景下时间已经不允许重新设计逃逸塔方案,因而双子座在这种情况下进行了12次任务,也培养出了全部的阿波罗登月宇航员。

但总体上,这种技术并不成熟。航天飞机在设计早期也采取了这种方案,挑战者号爆炸事故后也考虑过重新恢复这个方案,但最后依然作罢。航天飞机上一般载有7名宇航员,进出通道不可能允许这么多人同时弹出,这也是航天飞机的硬伤之一。

四、发射逃逸系统需要怎么测试?

除了常规的发动机测试之外,全系统测试主要有两步。

1.静止状态测试。模拟火箭依然停留在发射台上场景,一旦发生危险后,系统紧急启动将飞船带离发射平台,最终安全降落。这一步需要反复测试,例如SpaceX早在2015年就利用龙2飞船进行过测试。2019年初,龙2飞船首飞返回地球后也进行过一次发动机测试,不过那次由于发动机问题导致爆炸事故,因而1月19日的测试采用的是一艘新飞船。

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SpaceX的龙2飞船静止状态逃逸测试(动图)

2.飞行状态测试。此时火箭已在飞行过程中,模拟紧急情况,逃逸系统迅速启动带着飞船逃离,这也是1月19日测试时的场景。由于这种测试一般需要使用火箭运载,极其昂贵,往往以质取胜。

五、本次龙2飞船测试亮点在哪里?

龙2飞船已经进行了多次发动机点火实验和静止状态启动测试,本次即为飞行状态下测试。在测试时间节点方面,龙2飞船选择了火箭发射过程中受力状态最复杂的时刻:最大动压点。

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在最大动压点,火箭整体将受到巨大冲击

由于火箭发射后初始阶段依然处在稠密大气区域,火箭会受到强烈的大气阻力,或动压,它与火箭速度和大气密度成正比。虽然火箭飞行过程中速度逐渐变大时空气密度逐渐降低,但有一个时间点动压达到极大值,对于猎鹰9号火箭而言这个点往往在发射后78秒前后、高度为13千米左右。

可以说,这是火箭发射后最危险的时刻,选择这个时间点测试,如果能够成果无疑是相当有说服力的。

六、火箭还能回收么?

猎鹰系列火箭最为出名的便是回收复用技术,但这往往需要火箭首先做到第一级和第二级分离,时间点在发射后170秒前后。

对于火箭整体而言,决定气动性能的核心在于顶部,这也是顶部头锥往往被叫做整流罩的原因,即便有逃逸塔也会做成尖尖的形状。龙2飞船并不需要额外的整流罩保护,因为它本身的外形就起到了整流罩效果。

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猎鹰火箭飞行过程中,整流罩对于维持火箭稳定效果显著(源:Julian Danzer)

但此次飞船分离发生在远早于火箭一级和二级分离的时刻,且此时为火箭承受最大气动影响的时刻。飞船一旦离开后,火箭整体将会遭受巨大扰动,很有可能在空中迅速解体,抑或是SpaceX启动自毁程序,尽力减少整枚火箭的潜在危险。

不过也不必担心浪费,SpaceX目前的一大问题在于回收的火箭太多、仓库放不下了,趁这个机会清理一下库存,并不是坏事。就以这次测试中将要使用的这枚一级火箭来说,它完成过3次航天发射,这回已经是第4次出征了。

这次测试完全成功后,龙2飞船将会获得最终的载人前往国际空间站飞行资格。

而对于NASA来说,这意味着自2011年航天飞机退役以来,美国将重新获得从美国本土发射宇航员进入太空的能力。

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