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(guān)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(zhù)“零故障、零缺陷”的目標努力，但是客觀(guān)條件所致，載人飛船工程的可靠性指標只能達到97%，仍然會(huì )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，在航天員一旦出現危險時(shí)，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(xiàn)，它像一張隨時(shí)待命的大網(wǎng)，時(shí)刻準備著(zhù)化解每一個(gè)環(huán)節可能出現的危險。該系統主任設計師李頤黎和他的攻關(guān)組，從大氣層內到大氣層外救生，從境內到境外救生，從陸地到海上救生，把可能影響航天員安全的各種因素統統考慮進(jìn)來(lái)，一一制定了相關(guān)對策。他們把航天員從進(jìn)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(zhù)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(wàn)一出現的險情，件件攬入胸中，事事均有良策，真正為航天員構筑了平安保險。
待發(fā)段，特殊滑道化解險情
待發(fā)射段，是指航天員進(jìn)入飛船座艙至火箭點(diǎn)火這一時(shí)間段。設計師們根據世界載人航天歷史上各種情況的綜合分析，認定此時(shí)的危險源主要是火箭或飛船推進(jìn)劑泄漏、著(zhù)火，火箭發(fā)生故障等，一旦發(fā)生問(wèn)題，救生以航天員迅速離開(kāi)發(fā)射臺為目的。按照預定程序，在火箭點(diǎn)火前2小時(shí)，航天員乘電梯進(jìn)入飛船座艙，參與射前人--船--箭功能檢查；點(diǎn)火前1小時(shí)20分，工作人員關(guān)閉艙門(mén)；點(diǎn)火前5分鐘，航天員系好束縛帶，關(guān)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開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)。
在點(diǎn)火指令下達前，如果出現緊急情況，火箭、飛船研制者設計了兩種救生模式，一是通過(guò)特殊滑道或防爆電梯迅速撤離危險區，二是采用逃逸飛行器連人帶船一起飛離危險區。
乘滑道和電梯撤離的前提是時(shí)間有余量。航天員要迅速從座椅處攀上近2米高的艙口，在醫保人員和發(fā)射塔勤務(wù)人員的幫助下，快速打開(kāi)飛船艙門(mén)，以最快速度鉆出飛船。飛船艙門(mén)正對著(zhù)第九層發(fā)射塔架，旁邊有一個(gè)航天員專(zhuān)用防爆電梯可以乘電梯撤離現場(chǎng)。如果塔架已經(jīng)斷電或時(shí)間實(shí)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(shí)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(gè)直徑較小、僅容一個(gè)人擠巴巴地進(jìn)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(lái)支撐救生袋的全部重量，并且表面柔軟，摩擦系數較小，下滑舒適。跳進(jìn)救生袋時(shí)，航天員要先把腿放進(jìn)入滑道，雙腿叉開(kāi)，伸開(kāi)肘部及手便可以控制下滑速度，當用力撐住口袋壁面時(shí)，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(guò)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(gè)滑道。從口袋里鉆出來(lái)，便是發(fā)射架基座下面的一條通道，穿過(guò)防爆門(mén)、密封門(mén)，可以撤離到安全的地下掩蔽室逃離危險區。在中國航天員平時(shí)的訓練中就有這個(gè)科目，緊急撤離的路線(xiàn)早就演練過(guò)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(zhù)火，是發(fā)生在發(fā)射臺上惟一的一次死人事故。當時(shí)，阿波羅4A飛船和土星5號火箭在進(jìn)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(jìn)行登月前的軌道飛行。當訓練進(jìn)入最后的倒計時(shí)時(shí)，突然程序中斷，通話(huà)器里聽(tīng)見(jiàn)航天員在大喊：“著(zhù)火了！”“快放我們出去！”等毫無(wú)準備的救援人員跑去打開(kāi)艙門(mén)，3名航天員已全部被燒死在艙內。后來(lái)查明，起火原因是電線(xiàn)短路和艙門(mén)設計不合理。阿波羅飛船座艙里氣壓較低，打開(kāi)艙門(mén)的時(shí)間設計為90秒，著(zhù)火后，艙內形成負壓，無(wú)論里面還是外面在短時(shí)間里都無(wú)法打開(kāi)門(mén)。中國飛船的設計師充分考慮了打開(kāi)艙門(mén)的細節，使艙門(mén)無(wú)論從里面還是從外面，不超過(guò)3秒鐘就能迅速打開(kāi)。
如果險情一觸即發(fā)，時(shí)間不允許航天員出艙進(jìn)入滑道，火箭上的故檢系統一個(gè)信號發(fā)出，逃逸塔就即刻點(diǎn)火升空，使航天員脫險。
上升段，讓飛船聽(tīng)話(huà)受控
民航的人身保險是以飛機的整個(gè)航程時(shí)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(shí)間段來(lái)全程保險的。
在發(fā)射上升階段，最大的危險來(lái)自火箭的故障，比如，發(fā)動(dòng)機推力不足，姿態(tài)不穩，或偏離預定軌道等。這時(shí)，救生的辦法分發(fā)射臺救生、低空逃逸塔救生、高空無(wú)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(shuō)，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(jiàn)，1964年12月8日，美國發(fā)射雙子星座2號飛船時(shí)，火箭點(diǎn)火1秒偶遇故障，實(shí)施了緊急關(guān)機，泄出推進(jìn)劑后，推到第二年1月才實(shí)行了再次發(fā)射。美國航天飛機第19次飛行時(shí)，點(diǎn)火3秒，也因故障實(shí)施緊急關(guān)機，航天飛機自動(dòng)熄火停止了發(fā)射。1992年3月22日，中國為澳大利亞發(fā)射衛星，因4個(gè)火箭助推器發(fā)動(dòng)機中的2個(gè)未能正常點(diǎn)火，點(diǎn)火7秒也自動(dòng)緊急關(guān)機，這事也證明中國早就掌握了災難規避技術(shù)。
火箭一旦從發(fā)射臺上起飛，開(kāi)弓就沒(méi)有回頭箭，這時(shí)的救生辦法是使逃逸塔點(diǎn)火，拉著(zhù)飛船迅速離開(kāi)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(shí)，幫助航天員脫離危險區，打開(kāi)降落傘安全著(zhù)陸。在世界載人航天史上，逃逸塔只被使用過(guò)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(shí)段，火箭飛行的高度在40公里至115公里，此時(shí)，飛船如果收到火箭發(fā)生險情的信號，就會(huì )自動(dòng)與火箭“一刀兩斷”脫離關(guān)系，然后進(jìn)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(jìn)入了115公里的外大氣層，再飛行280多秒便進(jìn)入207公里的飛船入軌軌道。這一段的救生時(shí)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(diǎn)散布范圍很大。李頤黎畫(huà)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，僅海上落區就有5200多公里長(cháng)！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(wú)法及時(shí)趕到落點(diǎn)讓航天員平安回家。是實(shí)施全過(guò)程救生呢，還是預設幾個(gè)點(diǎn)救生？李頤黎和他的研制隊伍站在了進(jìn)退兩難的懸崖邊。想參考一下蘇美的經(jīng)驗，一查資料，他們傻眼了。前蘇聯(lián)由于國土面積較大，陸上航區較長(cháng)，海上落區只有3500公里長(cháng)，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(shí)，在海上設立了16個(gè)應急救生點(diǎn)，布置了24艘船，包括3艘航母以及126架飛機，動(dòng)用人員2.6萬(wàn)。這樣的物力、財力和人力的付出，都是我國的國情所無(wú)法承受的。
大氣層外的救生究竟怎么辦呢？這個(gè)令人頭疼的事擺上了載人飛船工程總師的案頭。一時(shí)間，工程總師的專(zhuān)車(chē)經(jīng)�！按钶d”李頤黎上班，汽車(chē)成為倆人討論問(wèn)題的“接頭地點(diǎn)”。終于，設計師系統提出了一個(gè)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和自身動(dòng)力，盡量使飛船入軌，然后進(jìn)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陸地上的回收；萬(wàn)一飛船入不了軌，也可利用船上控制系統讓飛船進(jìn)入預先選定的海上搜救圈。
飛船控制專(zhuān)家陳祖貴成功地把這一國內外首創(chuàng )的設想變成了現實(shí)。設計中光計算公式他就寫(xiě)滿(mǎn)了四大本，摞起來(lái)有30厘米厚。他們研制成功了自主瞄準技術(shù)，用8個(gè)陀螺輸出的12個(gè)飛船姿態(tài)數值，隨時(shí)修正、調整飛船的方向，控制飛船準確返回到預定的回收區。4艘神舟號無(wú)人飛船的試驗，證明這一國內外首創(chuàng )的新技術(shù)完全成功，落點(diǎn)精度全部都在正負10公里左右。這樣，我國陸上回收場(chǎng)只設主著(zhù)陸場(chǎng)、副著(zhù)陸場(chǎng)和少量應急著(zhù)陸場(chǎng)；海上應急救生區也大大縮小，總共只設3個(gè)區，A區長(cháng)955公里，B區長(cháng)800公里，C區長(cháng)360公里，總長(cháng)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(shí)趕到哪里。
運行段，每圈都有護身符
飛船進(jìn)入軌道正常運行后，救生系統也不是萬(wàn)事大吉。萬(wàn)一飛船的航天員座艙被流星或太空垃圾擊穿，或船上某個(gè)閥門(mén)泄漏怎么辦？
設計師們根據飛船繞地球飛行的時(shí)間，為飛船飛行的每一圈都設定了所經(jīng)過(guò)的應急救生著(zhù)陸區，著(zhù)陸區涉及了國內外十多個(gè)地區，有國內內蒙古中部和西部的主、副著(zhù)陸場(chǎng)，有華北地區及東南地區，有四川中部地區，還有國外澳大利亞、巴西、美國及非洲和阿拉伯地區。李頤黎拿出了一張長(cháng)長(cháng)的表，上面詳細標明了飛船每一圈進(jìn)入預定落區的時(shí)刻和飛出落區的時(shí)刻，時(shí)間精確到哪一天、多少小時(shí)、多少分、多少秒和多少毫秒，并標出了其間的飛行距離，落點(diǎn)的名稱(chēng)。那張表上，一共標出了飛船第2圈到109圈的情況，也就是說(shuō)，飛船在軌道上運行的7天里，天天受關(guān)懷，圈圈有保護。
具體來(lái)說(shuō)，針對不同的險情設計師精心布置了三道防線(xiàn)。
當飛船局部發(fā)生故障，情況并不十萬(wàn)火急時(shí)，設計師為飛船設計了18小時(shí)等待返回功能，飛船可充分利用此時(shí)間，盡量選擇最近的、著(zhù)陸環(huán)境最好的應急著(zhù)陸區著(zhù)陸。
當座艙發(fā)生泄漏時(shí)，航天員面前的控制面板會(huì )顯示壓力應急報警信號，航天員必須在10分鐘內穿好航天服，接通供氣管。航天服可連續6個(gè)小時(shí)保證航天員的氧氣供應，利用這寶貴的6小時(shí)時(shí)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的飛行圈數，在10個(gè)尋應急著(zhù)陸場(chǎng)中選擇找比較適宜的著(zhù)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(gè)小時(shí)的時(shí)間，瞄準第一個(gè)來(lái)得及著(zhù)陸的地區著(zhù)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，模擬的救生模式一一對應，準確無(wú)誤。
應急救生著(zhù)陸對飛船的控制系統有很?chē)栏竦囊�，一旦控制有誤，后果不堪設想。返回控制系統是一個(gè)隨時(shí)間變化對非線(xiàn)性的,多變量的隨機控制系統,需要控制飛船的縱向航程、側向航程、過(guò)載以及姿態(tài),但控制手段只有一個(gè),那就是飛船有限的升力。設計這樣的控制系統的難度,可想而知。為了解決氣動(dòng)參數不確定的難題,陳祖貴和同事們研制成功世界首創(chuàng )的升阻比實(shí)時(shí)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。落點(diǎn)精度達到世界先進(jìn)水平,4艘神舟號無(wú)人飛船返回落點(diǎn)精度之高，相當于打靶打了十環(huán)。我國成為世界上第三個(gè)掌握了飛船可控再入的國家。
返回段，處處有驚無(wú)險
安全返回是載人飛船的最后一關(guān)，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(zhù)陸階段指離開(kāi)運行軌道到著(zhù)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(kāi)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(shí)座艙閥門(mén)提前打開(kāi)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(shí)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(shí)挑戰者號爆炸犧牲7人，共11人)。
返回著(zhù)陸段的危險主要是，一旦船上慣導系統失靈，飛船無(wú)法建立制動(dòng)姿態(tài)；變軌發(fā)動(dòng)機出現故障；降落傘發(fā)生問(wèn)題；著(zhù)陸緩沖發(fā)動(dòng)機不工作等。設計師根據上述可能發(fā)生的故障，制定了不同的措施。
慣導系統失靈怎么辦？船上還備有光學(xué)瞄準鏡，航天員可用這套設備獲取飛船的姿態(tài)角，手動(dòng)控制，使飛船兩次調姿轉向180度，建立起制動(dòng)姿態(tài)。
變軌發(fā)動(dòng)機有故障怎么辦？一、三發(fā)動(dòng)機出現問(wèn)題，則有二、四發(fā)動(dòng)機替補；4臺發(fā)動(dòng)機全部出現故障，還有另外8臺150牛的小發(fā)動(dòng)機，足以讓飛船完成制動(dòng)調姿，返回主、副著(zhù)陸場(chǎng)。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(kāi)傘，此時(shí)返回艙就會(huì )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(lái)。這時(shí)，艙里靜壓高度控制器就會(huì )自動(dòng)打開(kāi)一個(gè)開(kāi)關(guān)，迅速斷開(kāi)主傘，切換備份傘系統工作。返回艙配置了相互獨立的兩個(gè)傘艙，主傘和備份傘不會(huì )相互影響。
著(zhù)陸緩沖發(fā)動(dòng)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(dòng)機，當飛船距地面10米高時(shí)，艙內的指示燈提醒航天員“即將著(zhù)陸”，距地面1米高時(shí)，γ高度儀發(fā)出信號，“指揮”緩沖發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火，給飛船一個(gè)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(zhù)陸。萬(wàn)一發(fā)動(dòng)機不點(diǎn)火，航天員會(huì )不會(huì )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(gè)脹環(huán)式的緩沖器，它起彈簧的作用，可以吸收震動(dòng)的能量，保護航天員不被墩壞。
著(zhù)陸后的許多細節，設計師們也安排得很周全。返回艙落地后，“接頭信號”就會(huì )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(dòng)55下的頻率發(fā)出白色的閃亮，可以連續閃光25小時(shí)，為夜間提供返回艙的位置信息；染色劑由熒光素納鹽構成，返回艙落水后，1千克染色劑溶于水中，在返回艙周?chē)尚纬梢淮笃G色熒光區，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(yáng)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(chóng)驅避劑；有食品和飲水、指北針、抗風(fēng)火柴、防塵太陽(yáng)鏡、引火物；還有救生船、漁具、驅鯊魚(yú)劑、抗浸防寒飄浮裝備、救生手冊等，還為每個(gè)航天員配置了救生手槍和生存刀。
“不惜代價(jià)，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(wàn)萬(wàn)打造火箭和飛船的人溶入身心的自覺(jué)行動(dòng)�？纯催@些看似枯燥的試驗記錄，你無(wú)法不被自我苛刻的航天人所感動(dòng)：
--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(shí)而實(shí)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(jìn)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(jìn)艙的解鎖分離試驗，驗證了三艙段分離的可靠性。
--空投著(zhù)陸沖擊試驗，累計進(jìn)行了72架次空投試驗和50多次沖擊過(guò)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(guò)載滿(mǎn)足醫學(xué)要求。
--綜合環(huán)境應力試驗，通過(guò)飛船電子設備在振動(dòng)、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(wàn)多個(gè)，設備60多臺，連續數百小時(shí)工作無(wú)故障。
--三機容錯試驗，飛船的制導、導航控制分系統和數據管理分系統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(wàn)萬(wàn)個(gè)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(wú)垠的太空釋放了五星紅旗的輝煌。
