中新網(wǎng)10月16日電題：生命的盾牌--全程平安保險
——中國神舟神箭研制的12大攻關奇跡之八
作者：石磊
登天之路并不是一條平安大道，盡管地面的一切準備工作都朝著“零故障、零缺陷”的目標努力，但是客觀條件所致，載人飛船工程的可靠性指標只能達到97%，仍然會有意外可能發(fā)生。
所以飛船和火箭的設計師們必須采取應急救生的措施，在航天員一旦出現(xiàn)危險時，能有一把起死回生的“殺手锏”。
應急救生是航天員生命安全的最后一道防線，它像一張隨時待命的大網(wǎng)，時刻準備著化解每一個環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的危險。該系統(tǒng)主任設計師李頤黎和他的攻關組，從大氣層內(nèi)到大氣層外救生，從境內(nèi)到境外救生，從陸地到海上救生，把可能影響航天員安全的各種因素統(tǒng)統(tǒng)考慮進來，一一制定了相關對策。他們把航天員從進艙待發(fā)射到返回出艙分為四大階段，即待發(fā)射段、上升段、運行段和返回著陸段，用心血和智慧編織了11種救生模式，把其間每一分每一秒中萬一出現(xiàn)的險情，件件攬入胸中，事事均有良策，真正為航天員構(gòu)筑了平安保險。
待發(fā)段，特殊滑道化解險情
待發(fā)射段，是指航天員進入飛船座艙至火箭點火這一時間段。設計師們根據(jù)世界載人航天歷史上各種情況的綜合分析，認定此時的危險源主要是火箭或飛船推進劑泄漏、著火，火箭發(fā)生故障等，一旦發(fā)生問題，救生以航天員迅速離開發(fā)射臺為目的。按照預定程序，在火箭點火前2小時，航天員乘電梯進入飛船座艙，參與射前人--船--箭功能檢查；點火前1小時20分，工作人員關閉艙門；點火前5分鐘，航天員系好束縛帶，關閉頭盔面罩，戴好手套，準備升空；火箭、飛船的故障檢測和逃逸救生系統(tǒng)開始進入工作狀態(tài)。
在點火指令下達前，如果出現(xiàn)緊急情況，火箭、飛船研制者設計了兩種救生模式，一是通過特殊滑道或防爆電梯迅速撤離危險區(qū)，二是采用逃逸飛行器連人帶船一起飛離危險區(qū)。
乘滑道和電梯撤離的前提是時間有余量。航天員要迅速從座椅處攀上近2米高的艙口，在醫(yī)保人員和發(fā)射塔勤務人員的幫助下，快速打開飛船艙門，以最快速度鉆出飛船。飛船艙門正對著第九層發(fā)射塔架，旁邊有一個航天員專用防爆電梯可以乘電梯撤離現(xiàn)場。如果塔架已經(jīng)斷電或時間實在緊迫，航天員就要趕緊跑到撤離滑道入口處，一條特殊滑道直挺挺地通到地下安全隱蔽室，航天員必須不顧一切地跳下去。九層塔架相當于十幾層樓房高，跳下去還不摔死了？其實不然。
緊急撤離滑道由鋼套管和高彈力阻燃救生袋組成。救生袋是一個直徑較小、僅容一個人擠巴巴地進去，高約50米的大尼龍口袋，外層為防火的玻璃纖維，能防止大火燒蝕；中層為彈性纖維層，能適應不同身材的逃逸人員控制下降速度；最里層為特殊纖維層，這種纖維的張力為鋼材的10倍，用來支撐救生袋的全部重量，并且表面柔軟，摩擦系數(shù)較小，下滑舒適。跳進救生袋時，航天員要先把腿放進入滑道，雙腿叉開，伸開肘部及手便可以控制下滑速度，當用力撐住口袋壁面時，能完全停止下滑�？诖撞坑泻＞d減震軟墊，口袋的出口處還要擰幾下，防止下滑者由于速度過快出溜好遠而摔傷。為了防止靜電產(chǎn)生，發(fā)射前還要用水澆濕整個滑道。從口袋里鉆出來，便是發(fā)射架基座下面的一條通道，穿過防爆門、密封門，可以撤離到安全的地下掩蔽室逃離危險區(qū)。在中國航天員平時的訓練中就有這個科目，緊急撤離的路線早就演練過多次。
在世界載人航天的歷史上，1967年1月27日美國阿波羅4A飛船地面試驗著火，是發(fā)生在發(fā)射臺上惟一的一次死人事故。當時，阿波羅4A飛船和土星5號火箭在進行地面聯(lián)合模擬飛行試驗。
飛船中有3名航天員，如果這次試驗成功，他們將進行登月前的軌道飛行。當訓練進入最后的倒計時時，突然程序中斷，通話器里聽見航天員在大喊：“著火了！”“快放我們出去！”等毫無準備的救援人員跑去打開艙門，3名航天員已全部被燒死在艙內(nèi)。后來查明，起火原因是電線短路和艙門設計不合理。阿波羅飛船座艙里氣壓較低，打開艙門的時間設計為90秒，著火后，艙內(nèi)形成負壓，無論里面還是外面在短時間里都無法打開門。中國飛船的設計師充分考慮了打開艙門的細節(jié)，使艙門無論從里面還是從外面，不超過3秒鐘就能迅速打開。
如果險情一觸即發(fā)，時間不允許航天員出艙進入滑道，火箭上的故檢系統(tǒng)一個信號發(fā)出，逃逸塔就即刻點火升空，使航天員脫險。
上升段，讓飛船聽話受控
民航的人身保險是以飛機的整個航程時段為保險單位的，而對航天員的人身保險，火箭和飛船的設計師是以秒甚至毫秒的時間段來全程保險的。
在發(fā)射上升階段，最大的危險來自火箭的故障，比如，發(fā)動機推力不足，姿態(tài)不穩(wěn)，或偏離預定軌道等。這時，救生的辦法分發(fā)射臺救生、低空逃逸塔救生、高空無塔救生和大氣層外救生四種，共有5種模式。
李頤黎主任設計師說，如果在發(fā)射臺上發(fā)生意外，必須迅速使火箭終止飛行。這種情況并不鮮見，1964年12月8日，美國發(fā)射雙子星座2號飛船時，火箭點火1秒偶遇故障，實施了緊急關機，泄出推進劑后，推到第二年1月才實行了再次發(fā)射。美國航天飛機第19次飛行時，點火3秒，也因故障實施緊急關機，航天飛機自動熄火停止了發(fā)射。1992年3月22日，中國為澳大利亞發(fā)射衛(wèi)星，因4個火箭助推器發(fā)動機中的2個未能正常點火，點火7秒也自動緊急關機，這事也證明中國早就掌握了災難規(guī)避技術(shù)。
火箭一旦從發(fā)射臺上起飛，開弓就沒有回頭箭，這時的救生辦法是使逃逸塔點火，拉著飛船迅速離開有故障的火箭。逃逸塔的作用是火箭起飛前5分鐘到起飛后120秒鐘期間，也就是飛行高度在0公里至39公里時，幫助航天員脫離危險區(qū)，打開降落傘安全著陸。在世界載人航天史上，逃逸塔只被使用過兩次。
火箭飛行120秒后，逃逸塔按照預定程序被拋掉，從120秒到200秒的時段，火箭飛行的高度在40公里至115公里，此時，飛船如果收到火箭發(fā)生險情的信號，就會自動與火箭“一刀兩斷”脫離關系，然后進入返回程序自行返回救生。
大氣層外的救生是難度最大的救生�；鸺w行200秒以后進入了115公里的外大氣層，再飛行280多秒便進入207公里的飛船入軌軌道。這一段的救生時間跨度大、飛行距離遠、速度快，直接導致箭船分離后返回艙落點散布范圍很大。李頤黎畫了一張示意圖，一看真叫人嚇一跳--返回艙的航程大約有8000公里，僅海上落區(qū)就有5200多公里長！這么大的范圍，即使返回艙安全落地了，地面搜救人員仍然無法及時趕到落點讓航天員平安回家。是實施全過程救生呢，還是預設幾個點救生？李頤黎和他的研制隊伍站在了進退兩難的懸崖邊。想?yún)⒖家幌绿K美的經(jīng)驗，一查資料，他們傻眼了。前蘇聯(lián)由于國土面積較大，陸上航區(qū)較長，海上落區(qū)只有3500公里長，他們在海上布置了7艘船、110架固定翼飛機和179架直升機，搜救人員4500人；美國水星號飛船發(fā)射時，在海上設立了16個應急救生點，布置了24艘船，包括3艘航母以及126架飛機，動用人員2.6萬。這樣的物力、財力和人力的付出，都是我國的國情所無法承受的。
大氣層外的救生究竟怎么辦呢？這個令人頭疼的事擺上了載人飛船工程總師的案頭。一時間，工程總師的專車經(jīng)�！按钶d”李頤黎上班，汽車成為倆人討論問題的“接頭地點”。終于，設計師系統(tǒng)提出了一個大膽的設想：飛船一旦在大氣層外遇險，應利用飛船的控制系統(tǒng)和自身動力，盡量使飛船入軌，然后進入預定的返回程序，這就等于把茫茫大海上的搜救變成了在國內(nèi)陸地上的回收；萬一飛船入不了軌，也可利用船上控制系統(tǒng)讓飛船進入預先選定的海上搜救圈。
飛船控制專家陳祖貴成功地把這一國內(nèi)外首創(chuàng)的設想變成了現(xiàn)實。設計中光計算公式他就寫滿了四大本，摞起來有30厘米厚。他們研制成功了自主瞄準技術(shù)，用8個陀螺輸出的12個飛船姿態(tài)數(shù)值，隨時修正、調(diào)整飛船的方向，控制飛船準確返回到預定的回收區(qū)。4艘神舟號無人飛船的試驗，證明這一國內(nèi)外首創(chuàng)的新技術(shù)完全成功，落點精度全部都在正負10公里左右。這樣，我國陸上回收場只設主著陸場、副著陸場和少量應急著陸場；海上應急救生區(qū)也大大縮小，總共只設3個區(qū)，A區(qū)長955公里，B區(qū)長800公里，C區(qū)長360公里，總長度僅2115公里，只需要配置6艘打撈船和少量直升機就可以保證航天員落到哪里，搜救人員就及時趕到哪里。
運行段，每圈都有護身符
飛船進入軌道正常運行后，救生系統(tǒng)也不是萬事大吉。萬一飛船的航天員座艙被流星或太空垃圾擊穿，或船上某個閥門泄漏怎么辦？
設計師們根據(jù)飛船繞地球飛行的時間，為飛船飛行的每一圈都設定了所經(jīng)過的應急救生著陸區(qū)，著陸區(qū)涉及了國內(nèi)外十多個地區(qū)，有國內(nèi)內(nèi)蒙古中部和西部的主、副著陸場，有華北地區(qū)及東南地區(qū)，有四川中部地區(qū)，還有國外澳大利亞、巴西、美國及非洲和阿拉伯地區(qū)。李頤黎拿出了一張長長的表，上面詳細標明了飛船每一圈進入預定落區(qū)的時刻和飛出落區(qū)的時刻，時間精確到哪一天、多少小時、多少分、多少秒和多少毫秒，并標出了其間的飛行距離，落點的名稱。那張表上，一共標出了飛船第2圈到109圈的情況，也就是說，飛船在軌道上運行的7天里，天天受關懷，圈圈有保護。
具體來說，針對不同的險情設計師精心布置了三道防線。
當飛船局部發(fā)生故障，情況并不十萬火急時，設計師為飛船設計了18小時等待返回功能，飛船可充分利用此時間，盡量選擇最近的、著陸環(huán)境最好的應急著陸區(qū)著陸。
當座艙發(fā)生泄漏時，航天員面前的控制面板會顯示壓力應急報警信號，航天員必須在10分鐘內(nèi)穿好航天服，接通供氣管。航天服可連續(xù)6個小時保證航天員的氧氣供應，利用這寶貴的6小時時間，設計師為飛船設計了稍候返回功能，飛船仍然可以選擇適當?shù)娘w行圈數(shù)，在10個尋應急著陸場中選擇找比較適宜的著陸。
如果險情十分緊急，飛船還有立即返回功能，設計師保證飛船有2個小時的時間，瞄準第一個來得及著陸的地區(qū)著陸。
在神舟四號飛船的飛行中，先后注入了17次應急返回參數(shù)，模擬的救生模式一一對應，準確無誤。
應急救生著陸對飛船的控制系統(tǒng)有很嚴格的要求，一旦控制有誤，后果不堪設想。返回控制系統(tǒng)是一個隨時間變化對非線性的,多變量的隨機控制系統(tǒng),需要控制飛船的縱向航程、側(cè)向航程、過載以及姿態(tài),但控制手段只有一個,那就是飛船有限的升力。設計這樣的控制系統(tǒng)的難度,可想而知。為了解決氣動參數(shù)不確定的難題,陳祖貴和同事們研制成功世界首創(chuàng)的升阻比實時估計的自適應返回控制新技術(shù),將4艘飛船安全準確地控制到預定回收區(qū)。落點精度達到世界先進水平,4艘神舟號無人飛船返回落點精度之高，相當于打靶打了十環(huán)。我國成為世界上第三個掌握了飛船可控再入的國家。
返回段，處處有驚無險
安全返回是載人飛船的最后一關，也是載人航天的成功標志。但要做到安全，談何容易。飛船返回和著陸階段指離開運行軌道到著陸為止，是故障與事故的多發(fā)階段，也是航天員罹難最多的階段。如果從1967年4月24日聯(lián)盟1號因降落傘未能打開而摔死的航天員科馬羅夫算起，到1971年6月30日聯(lián)盟11號返回時座艙閥門提前打開空氣泄露，多勃羅沃爾斯基、沃爾科夫、帕察耶夫3名航天員窒息而死，再到2003年1月4日美國哥倫比亞號航天飛機返回時解體，7名航天員遇難，在返程途中一共犧牲了11名航天員，占所有遇難航天員的1/2(地面訓練犧牲4人，發(fā)射升空時挑戰(zhàn)者號爆炸犧牲7人，共11人)。
返回著陸段的危險主要是，一旦船上慣導系統(tǒng)失靈，飛船無法建立制動姿態(tài)；變軌發(fā)動機出現(xiàn)故障；降落傘發(fā)生問題；著陸緩沖發(fā)動機不工作等。設計師根據(jù)上述可能發(fā)生的故障，制定了不同的措施。
慣導系統(tǒng)失靈怎么辦？船上還備有光學瞄準鏡，航天員可用這套設備獲取飛船的姿態(tài)角，手動控制，使飛船兩次調(diào)姿轉(zhuǎn)向180度，建立起制動姿態(tài)。
變軌發(fā)動機有故障怎么辦？一、三發(fā)動機出現(xiàn)問題，則有二、四發(fā)動機替補；4臺發(fā)動機全部出現(xiàn)故障，還有另外8臺150牛的小發(fā)動機，足以讓飛船完成制動調(diào)姿，返回主、副著陸場。降落傘壞了怎么辦？主飛船上備有2套降落傘，主傘按正常程序應當在距地面11公里的高度上開傘，此時返回艙就會減速。如果主傘不能正常工作，那么返回艙的速度就減不下來。這時，艙里靜壓高度控制器就會自動打開一個開關，迅速斷開主傘，切換備份傘系統(tǒng)工作。返回艙配置了相互獨立的兩個傘艙，主傘和備份傘不會相互影響。
著陸緩沖發(fā)動機不工作怎么辦？設計師在返回艙底部安裝了一臺γ高度儀和4臺緩沖發(fā)動機，當飛船距地面10米高時，艙內(nèi)的指示燈提醒航天員“即將著陸”，距地面1米高時，γ高度儀發(fā)出信號，“指揮”緩沖發(fā)動機點火，給飛船一個向上抬的力，飛船的落地速度便減到了1～2米/秒，航天員可以安然著陸。萬一發(fā)動機不點火，航天員會不會被墩壞？對此設計師也留了一手，他們在航天員的座椅下部安放了一個脹環(huán)式的緩沖器，它起彈簧的作用，可以吸收震動的能量，保護航天員不被墩壞。
著陸后的許多細節(jié)，設計師們也安排得很周全。返回艙落地后，“接頭信號”就會立即發(fā)出。信號有兩種，一種是閃光燈，一種是染色劑。閃光燈以每分鐘閃動55下的頻率發(fā)出白色的閃亮，可以連續(xù)閃光25小時，為夜間提供返回艙的位置信息；染色劑由熒光素納鹽構(gòu)成，返回艙落水后，1千克染色劑溶于水中，在返回艙周圍可形成一大片綠色熒光區(qū)，白天易于飛機的搜索。返回艙里為航天員準備的救生物品一應俱全，有遠距離呼救電臺、GPS定位儀、信號槍、閃光標位器、太陽反光鏡、光煙信號管和海水染色劑；有急救藥包、蛇傷自救盒、蚊蟲驅(qū)避劑；有食品和飲水、指北針、抗風火柴、防塵太陽鏡、引火物；還有救生船、漁具、驅(qū)鯊魚劑、抗浸防寒飄浮裝備、救生手冊等，還為每個航天員配置了救生手槍和生存刀。
“不惜代價，一切為了航天員的安全”這不是一句空洞的口號，它是千千萬萬打造火箭和飛船的人溶入身心的自覺行動。看看這些看似枯燥的試驗記錄，你無法不被自我苛刻的航天人所感動：
--零高度逃逸救生試驗，驗證了發(fā)射臺上火箭發(fā)生嚴重故障時而實施的逃逸救生方案的可靠性和安全性。
--水上濺落與海上漂浮試驗，驗證了返回艙水上抗傾覆能力和密封性能，驗證了信標和染色劑的海上工作性能。
--艙段分離試驗，進行了15次軌道艙與返回艙的解鎖分離試驗，11次返回艙與推進艙的解鎖分離試驗，驗證了三艙段分離的可靠性。
--空投著陸沖擊試驗，累計進行了72架次空投試驗和50多次沖擊過載試驗，全面考核了降落傘的性能，驗證了航天員受到的沖擊過載滿足醫(yī)學要求。
--綜合環(huán)境應力試驗，通過飛船電子設備在振動、濕度、高溫和低溫惡劣環(huán)境中工作性能的考核，檢驗并暴露元器件、材料和工藝等方面的缺陷，累計考核電子元器件8萬多個，設備60多臺，連續(xù)數(shù)百小時工作無故障。
--三機容錯試驗，飛船的制導、導航控制分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)廣泛采用了可靠性設計措施，具有三機容錯的能力，保證飛船“一次故障正常工作”“兩次故障安全返回”。
正是千千萬萬個一絲不茍、埋頭苦干的航天人，為中國的航天員鋪就了一條平安大道，在浩瀚無垠的太空釋放了五星紅旗的輝煌。
