文/遲惑

2023 年2 月24 日，俄羅斯聯(lián)盟MS-23 飛船發(fā)射升空，前往國際空間站。這不是一次普通的飛行，它是人類航天史上一次罕見的救援行動。它的前序飛船聯(lián)盟MS-22 此前作為返回工具和緊急情況下的救生飛船一直?？吭趪H空間站上。但在2022 年12月，這艘飛船發(fā)生了嚴(yán)重的冷卻液泄漏事故，打亂了國際空間的活動計劃。聯(lián)盟MS-23 飛船此次是作為救援飛船發(fā)射升空的。

▲ 阿波羅13 號飛船的返回艙被打撈到船上

▲ 未來太空旅游發(fā)達(dá)之后，救援將成為一種剛需

幾十年來，載人飛行器的太空救援一直是眾人都很感興趣的話題。航天員、航空航天工程師、外交官、醫(yī)療和救援專業(yè)人員、發(fā)明家和科幻作家都有過自己的暢想。馬丁·凱丁1964 年的小說《被放逐者》講述了一個故事：如何營救被困在近地軌道上的航天員。太空救援也一直是科幻電視和電影中的主要內(nèi)容，如《星際迷航》《星際之門》和《太空1999》，以及《火星任務(wù)》和《紅色星球》等。虛構(gòu)故事中的救援充滿了戲劇性和困難，而在現(xiàn)實世界中，它有著更大的戲劇性和更大的困難。

到目前為止，載人航天所發(fā)生的事故還不算太多，其中只有阿波羅13號飛船給人們提供了救援的可能性，而且成功了。但是隨著載人航天的發(fā)展，特別是隨著商業(yè)載人航天的開展，太空救援恐怕將成為一個必須建立的行業(yè)。

法律基礎(chǔ)

太空救援作為一門學(xué)科仍處于初級階段。為了明確界定范圍，美國宇航局的一些研究中，把太空救援定義為：在太空飛行操作中，允許人員在危及人類生命的情況下進(jìn)行救援或逃生的任何系統(tǒng)。這將跨越從起飛前到著陸后航天員離開飛行器的時間段。

《聯(lián)合國和平利用外層空間條約》第五條規(guī)定：“《條約》締約國應(yīng)將航天員視為人類在外層空間的特使，并應(yīng)在發(fā)生事故、遇險或緊急降落在另一締約國領(lǐng)土或公海時向他們提供一切可能的援助。航天員著陸時，應(yīng)安全迅速地將他們送回其航天器的登記國。

“一個締約國的航天員在外層空間和天體上進(jìn)行活動時，應(yīng)向其他締約國的航天員提供一切可能的協(xié)助。

“條約締約國應(yīng)立即將其在包括月球或其他天體在內(nèi)的外層空間發(fā)現(xiàn)的任何可能對航天員的生命或健康構(gòu)成危險的現(xiàn)象，通知條約其他締約國或聯(lián)合國秘書長?！?/p>

所以說，太空救援是屬于全人類的事業(yè)，并不僅僅是少數(shù)具備航天能力的國家。

▲ 阿波羅與聯(lián)盟飛船的對接，可以看作是空間救援的一種技術(shù)前奏

危險的太空飛行

太空救援需要關(guān)注，因為太空飛行目前比其他類型的飛行危險得多。所以，要不要考慮開發(fā)太空救援系統(tǒng)，引發(fā)了人們關(guān)于風(fēng)險與成本的大討論。由于太空飛行的技術(shù)難度高，太空救援系統(tǒng)通常復(fù)雜、昂貴，也很難進(jìn)行測試。載人航天飛行本身就很難了，研制一種救援系統(tǒng)就更加具有挑戰(zhàn)性。

所以很多人認(rèn)為，應(yīng)該把資金、技術(shù)和其他資源更多地用在提高載人航天系統(tǒng)的可靠性上，只要火箭、飛船或者空間站本身足夠可靠，就不需要救援系統(tǒng)了。他們的依據(jù)是，早年民航客機也是給乘客配降落傘的，但是如今，隨著民航客機可靠性的提高，已經(jīng)不需要降落傘了。

為了給出確切的依據(jù)，美國宇航局約翰遜航天中心的安全與任務(wù)保障部（SMA）比較了不同類型飛行的相對危險性，提出了這樣的指標(biāo)：

乘坐商業(yè)客機的死亡率是每100萬次飛行一人；

軍用飛機的死亡率是每10 萬次飛行一人；

軍用作戰(zhàn)飛機的死亡率是每1 萬次飛行一人；

載人航天飛行的死亡率是每100次飛行一人。

▲ 波音星際航線飛船的逃逸火箭設(shè)置與載人龍飛船近似

▲ 載人龍飛船的逃逸救生發(fā)動機

顯然，載人航天的風(fēng)險明顯高于任何其他類型的飛行，專家對“不需要救援系統(tǒng)”的論點給出了有力的反駁。

載人航天飛行的這種高風(fēng)險是由許多因素驅(qū)動的。技術(shù)的成熟度是一個主要因素。與商業(yè)或軍用航空相比，載人航天的歷史還不長，只經(jīng)歷了幾代人的時間來提高可靠性。另外，為了達(dá)到第一宇宙速度，需要攜帶大量燃料和氧化劑，迫使空間系統(tǒng)設(shè)計滿足非?？量痰臈l件，結(jié)構(gòu)設(shè)計和推進(jìn)效率竭力提高。例如，航天飛機外儲箱的外殼如果縮小到手持設(shè)備的尺寸，會比易拉罐還薄。航天飛機主發(fā)動機是人類有史以來生產(chǎn)的最高效的動力裝置之一。馬歇爾太空飛行中心前結(jié)構(gòu)主管瑞安給出了幾個有趣的指標(biāo)，幫助人們理解與太空發(fā)射相關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)。他比較了幾種不同類型發(fā)動機的馬力/重量比，發(fā)現(xiàn)，如果汽車發(fā)動機用航天飛機相同的推進(jìn)功率/結(jié)構(gòu)重量比設(shè)計，那么它的重量只有1135克，大概比兩瓶礦泉水重一點。所以，太空飛行系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到人類設(shè)計能力的極限了。

太空飛行環(huán)境中的很多危險，在大氣層內(nèi)是不存在的。比如，許多材料在真空下的性能與在海平面壓力下的性能不同。而外空中會出現(xiàn)的極端溫度，在大氣層內(nèi)也不會有。特別是在從全陽光照射過渡到全陰影時，在十幾厘米內(nèi)有超過200 攝氏度的溫度梯度并不罕見。上升過程中，飛行器上的空氣動力學(xué)載荷可能很大，比如航天飛機升空過程中的空氣動力載荷在34000～38000 帕斯卡之間。再入過程中，空氣動力學(xué)載荷接近24000 帕斯卡，溫度變化達(dá)到1500 多攝氏度。這些環(huán)境特征是航天環(huán)境所特有的。另外，由于缺乏大氣防護(hù)，太陽輻射和微流星、軌道碎片等會造成獨特的環(huán)境危害，各種航天器的外窗和散熱器都曾經(jīng)受到微流星體的沖擊損壞。

▲ 載人龍飛船的應(yīng)急逃生地面實驗

實踐太少

認(rèn)識和處理這些極端性能要求和危險環(huán)境，已經(jīng)非常困難了，而對于航天工程師來說，從實踐中吸取經(jīng)驗教訓(xùn)、迭代設(shè)計的次數(shù)也不夠多。無論美國還是俄羅斯，載人航天器的研發(fā)進(jìn)度都是比較慢的。在美國，設(shè)計和測試一種新型載人航天飛行器要花十幾年的時間，從理論到實踐再到理論的機會太少了。

航天工程師還面臨這樣一個事實，即使在開發(fā)新系統(tǒng)的罕見情況下，由于“組合環(huán)境”問題，也很難在實驗室對此類系統(tǒng)進(jìn)行地面測試。幾乎不可能在一個設(shè)計上同時測試所有載荷因子的設(shè)計，因為它們在太空中應(yīng)用。航天工程師通常被迫一次在一個載荷環(huán)境中觀察其設(shè)計的性能，無論是溫度、慣性載荷、空氣動力學(xué)載荷還是振動，然后通過計算機建模將載荷組合起來，以確定其設(shè)計的充分性。

▲ 美國第一架正式服役的航天飛機哥倫比亞號

與航空不同的是，航天飛行很難實施大規(guī)模集成測試。在航空器的研制中，飛機首先在較低的動壓和馬赫數(shù)下飛行，設(shè)計師們在這個過程中對飛機的性能進(jìn)行監(jiān)測。如果這個階段能順利完成，就會按照設(shè)計指標(biāo)，逐步擴大飛行包線。這個循序漸進(jìn)的過程可能要經(jīng)過100 次試飛。但對航天系統(tǒng)來說，這基本上是不可能的。大多數(shù)航天系統(tǒng)都是在“要么全有要么全無”的環(huán)境中運行的。一枚新的火箭首次發(fā)射，就必須穿過整個飛行包線。第一架航天飛機在首次飛行60 秒時就達(dá)到了超音速，兩分鐘后進(jìn)入了高超音速飛行。人們根本沒有機會從容查看數(shù)據(jù)，如果發(fā)生異常，也不可能把它召回基地檢查。雖然人們可以在地面上對某些空間環(huán)境進(jìn)行模擬，但迄今為止，還沒有任何一種手段能完全、充分模擬空間飛行的全過程。這樣的困難，解釋了為什么這么多新的火箭系統(tǒng)在首次飛行嘗試中失敗。而在航空器研制中，幾乎從來不會發(fā)生這種事。

正因為航天飛行的復(fù)雜性與困難性，與航空器認(rèn)證計劃不同的是，宇航系統(tǒng)通常在一兩次飛行后，就可以認(rèn)為通過認(rèn)證，可以投入使用了。而載人飛機一般要飛行上百次才能通過認(rèn)證。宇航系統(tǒng)必須通過對性能的模型預(yù)測來進(jìn)行大部分認(rèn)證活動，然后通過有限飛行次數(shù)的飛行性能來驗證模型。

載人航天7 個主要階段的風(fēng)險

載人航天飛行可以分為7 個主要階段，分別是發(fā)射前、上升、在軌、到達(dá)/停靠/離開另一個航天器、從非地球陸地表面下降和上升、艙外活動、再入地球大氣層。其中有幾個階段需要詳細(xì)解釋一下。在軌階段包括從進(jìn)入軌道到返回大氣層的階段。在這個階段，載人飛行器可能從地球軌道轉(zhuǎn)移到另一個物體的軌道，比如月球、小行星或另一顆行星。所謂到達(dá)/?？?離開另一個航天器，是通過軌道機動，與另外一個航天器對接、連接在一起，乃至離開。從非地球陸地表面下降和上升，指的是在外星球上的起降，包括月球、小行星或其他行星。

主要危險：

@發(fā)射前

由于系統(tǒng)故障、結(jié)構(gòu)完整性損失、自然環(huán)境或推進(jìn)相關(guān)故障而引起的火災(zāi)或爆炸。

@上升

系統(tǒng)故障、失控、結(jié)構(gòu)完整性喪失、自然環(huán)境引起的故障，推進(jìn)相關(guān)故障。

@在軌

系統(tǒng)故障（爆炸、失去姿態(tài)控制、失去關(guān)鍵功能、有毒物質(zhì)釋放）、自然環(huán)境危害（太陽輻射、微小流星軌道碎片）、航天員健康問題。

@到達(dá)/停靠/離開另一個航天器

與另一艘航天器碰撞、系統(tǒng)故障（爆炸、失去姿態(tài)控制、失去關(guān)鍵功能、有毒物質(zhì)釋放）、自然環(huán)境危害（太陽輻射、微流星體碰撞）、航天員健康問題、偏離航線。

@從非地球陸地表面下降和上升

由于系統(tǒng)故障、推進(jìn)故障或自然環(huán)境、偏離航線或表面撞擊而導(dǎo)致的起飛或著陸相關(guān)事故。

@艙外活動

航天服系統(tǒng)故障、航天服破洞、航天員健康問題、航天員與航天器的連接丟失（航天員漂流或系繩丟失）。

@再入

▲ 航天飛機的標(biāo)準(zhǔn)飛行流程，覆蓋了7 個救援階段

▲ 發(fā)射場救援可能要動用直升機轉(zhuǎn)移傷員

▲ 約翰遜航天中心消防隊的臂章

系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)故障，自然環(huán)境引起的故障、失控。

上面說的許多條目，對于所有飛行階段都是相同的。例如，生命關(guān)鍵型或任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)的故障可能發(fā)生在任何階段，并且可能是災(zāi)難性的。航天系統(tǒng)工程師已經(jīng)開發(fā)了諸如系統(tǒng)冗余之類的技術(shù)來避免這種困境。結(jié)構(gòu)失效也會發(fā)生在所有階段。航天結(jié)構(gòu)工程師需定義設(shè)計極限載荷并確保該載荷的安全系數(shù)，以防止在預(yù)期設(shè)計條件下發(fā)生故障。在許多方面，救援系統(tǒng)設(shè)計師的工作是考慮這些設(shè)計技術(shù)失靈場景下的設(shè)計解決方案。在許多情況下，為了設(shè)計出重量和性能方面具有可行性的方案，主系統(tǒng)的設(shè)計師必須考慮周全。例如，通常不可能設(shè)計出能夠承受最壞情況下流星體撞擊的結(jié)構(gòu)，也不可能在最壞情況的太陽耀斑中保護(hù)航天員和生命關(guān)鍵系統(tǒng)。在大多數(shù)情況下，即使進(jìn)行了徹底的飛行前醫(yī)學(xué)檢查，也不可能開發(fā)出一種能夠應(yīng)對所有疾病的航天員醫(yī)療設(shè)施。對于這些很難評估和控制的風(fēng)險，太空救援系統(tǒng)可以發(fā)揮作用。

階段 故障案例發(fā)射前 “阿波羅1 號”起火；“聯(lián)盟T-10”中止；“雙子星6 號”預(yù)發(fā)射中止；多次航天飛機發(fā)動機啟動后預(yù)發(fā)射中止。上升 “阿波羅12 號”遭雷擊；“聯(lián)盟18-1 號”上升過程中失控；“挑戰(zhàn)者號”爆炸；“哥倫比亞號”防熱瓦損壞；STS-51F 發(fā)動機關(guān)閉并中止進(jìn)入軌道；STS-93 電氣短路。在軌 “雙子座8 號”推進(jìn)器故障并失去控制；“阿波羅13 號”氧氣罐在登月途中爆炸；STS-2 和“和平號”上的燃料電池故障；“和平號”多次飛行中的醫(yī)療狀況。到達(dá)/?？?離開另一個航天器 “和平號”與“進(jìn)步號”相撞。從非地球陸地表面下降和上升 “阿波羅10 號”在練習(xí)著陸任務(wù)中上升失控。艙外活動 航天員頭盔起霧（“雙子星”、“和平號”）；航天員精疲力竭（“阿波羅”月球表面）。再入地球大氣層 “聯(lián)盟1 號”降落傘故障；“聯(lián)盟11 號”失壓；“哥倫比亞號”解體；“聯(lián)盟23 號”降落在結(jié)冰的湖中。

故障的歷史分布

《載人太空飛行中的災(zāi)難與事故》一書對航天器事故和潛在事故做了統(tǒng)計，按上述7 個階段做了分類。

這導(dǎo)致了這樣一個結(jié)論，即盡管在飛行過程中發(fā)生事故的風(fēng)險幾乎是一致的，但在上升和再入的飛行動態(tài)階段，致命事故的風(fēng)險最大。這反映了航天行業(yè)的傳統(tǒng)觀點，“離發(fā)射場越遠(yuǎn)，就越安全”。一旦航天器進(jìn)入設(shè)計的穩(wěn)定狀態(tài)，例如太空環(huán)境，出現(xiàn)嚴(yán)重故障的可能性就越小。值得注意的是，即使是太空環(huán)境中非常意外的故障里（“雙子座8 號”推進(jìn)器故障、“阿波羅13 號”爆炸、“和平號”火災(zāi)和碰撞），航天員和地面控制人員都能控制局勢，并將航天員安全帶回家。動態(tài)飛行階段的事故通常不會留出時間給人們反應(yīng)，因此必須設(shè)計救援/逃生機制，并隨時準(zhǔn)備響應(yīng)。

▲ “阿波羅13 號”航天員返回地球，濺落在大海中

▲ “哥倫比亞號”最后一次飛行期間地面望遠(yuǎn)鏡拍攝到的圖像

救援的成功率

在具有救援能力的空間系統(tǒng)中，航天員的生存概率可以通過以下公式計算：

人員生存概率=1-重大故障概率×救援失敗概率

從方程可以看出，從航天員生存的角度來看，救援系統(tǒng)的主要價值在于，它能夠?qū)崿F(xiàn)更高的航天員生存概率，而不必把主要系統(tǒng)的可靠性提升到極端水平?？煽啃酝ǔＪ窍到y(tǒng)開發(fā)中的主要成本驅(qū)動因素?？煽啃詾?9%的系統(tǒng)，通常比可靠性為90%的系統(tǒng)昂貴得多。如果要把系統(tǒng)可靠性從99%增加到99.9%，所增加的成本就更高。但是，如果把可靠性為90%的系統(tǒng)，和可靠性為90%的救援系統(tǒng)相結(jié)合，航天員的生存概率可以增加到99%。

▲ 獵戶座飛船的逃逸塔正在安裝過程中

當(dāng)人們打算開發(fā)一種長任務(wù)壽命的航天器的時候，要不要考慮救援系統(tǒng)，就更加重要了。在長期在軌運行的航天器中，因為無法完全杜絕故障概率，所以出現(xiàn)問題的可能性是隨著任務(wù)周期延長而逐步積累的。而且，考慮單個部件或者組件的可靠性上限，系統(tǒng)可靠性也是有上限的。如果組件的故障率以故障/單位時間表示，則故障概率可以大概表達(dá)為右表。

從這個表格可以看出，在任務(wù)周期足夠長的情況下，即使是高可靠性部件，也很難做到不出故障。為了解決這樣的問題，航天界往往采用兩種方法：一種是冗余設(shè)計，另一種是航天器在軌維護(hù)。不過，如果需要更換的部件在地球上，而航天器所在位置遠(yuǎn)離低軌道的時候，可能就會帶來更嚴(yán)重的問題。而且，在軌維護(hù)，特別是出艙維護(hù)，本身就是另一個高風(fēng)險的來源。系統(tǒng)可靠性的終極目的是保證航天員安全。所以在這些情況下，如果擁有救援系統(tǒng)，那么就可以降低對系統(tǒng)可靠性的過高要求。

其實，發(fā)射過程中的可靠性計算也可以用來證明救援系統(tǒng)的必要性。比如說，多數(shù)火箭的可靠性指標(biāo)很難達(dá)到載人航天的標(biāo)準(zhǔn)。美國宇航局曾經(jīng)多次研究，用改進(jìn)型一次性運載火箭(EELV)來發(fā)射載人飛行器。根據(jù)約翰遜飛行中心安全與任務(wù)保證部門的計算，截至2004 年初，EELV 火箭如果不做改進(jìn)，可靠性在77%至96%之間。那么，如果擁有一種成功率為90%的逃逸救生系統(tǒng)，EELV 的航天員生存概率可以提高到91%至99.6%。

如果僅僅看到90%可靠性這個數(shù)字，似乎逃逸救生系統(tǒng)應(yīng)該不會太難開發(fā)。然而，在飛行的許多階段，由于速度、高度和動壓的組合，逃逸救生系統(tǒng)是無法工作的。在“雙子星”和早期的航天飛機上，曾經(jīng)為航天員逃生提供了彈射座椅，但是很多階段不能使用。在早期航天飛機飛行中，如果任務(wù)控制中心用無線電向航天員發(fā)出“負(fù)座位”信息，意味著速度和高度已經(jīng)達(dá)到極限，不可能彈射。其實在軍用噴氣式飛機中，彈射座椅也只能在90%的情況下保證飛行員存活。

運行小時數(shù) 平均故障間隔500 小時系統(tǒng)的故障概率平均故障間隔1000 小時系統(tǒng)的故障概率250 0.394 0.221 500 0.632 0.394 1000 0.865 0.632 5000 0.99996 0.993 10000 1.0 0.99996

▲ 美國一度給航天員研制過彈射座椅，但是后來放棄了

上面所有困難，都導(dǎo)致了載人航天是人類最危險的飛行模式，在未來幾十年的時間里都是如此，所以有科學(xué)家指出，在載人航天的各個階段考慮救援，是很重要的。