中新网10月16日电题：生命的盾牌--全程平安保险
——中国神舟神箭研制的12大攻关奇迹之八
作者：石磊
登天之路并不是一条平安大道，尽管地面的一切准备工作都朝着“零故障、零缺陷”的目标努力，但是客观条件所致，载人飞船工程的可靠性指标只能达到97%，仍然会有意外可能发生。
所以飞船和火箭的设计师们必须采取应急救生的措施，在航天员一旦出现危险时，能有一把起死回生的“杀手锏”。
应急救生是航天员生命安全的最后一道防线，它像一张随时待命的大网，时刻准备着化解每一个环节可能出现的危险。该系统主任设计师李颐黎和他的攻关组，从大气层内到大气层外救生，从境内到境外救生，从陆地到海上救生，把可能影响航天员安全的各种因素统统考虑进来，一一制定了相关对策。他们把航天员从进舱待发射到返回出舱分为四大阶段，即待发射段、上升段、运行段和返回着陆段，用心血和智慧编织了11种救生模式，把其间每一分每一秒中万一出现的险情，件件揽入胸中，事事均有良策，真正为航天员构筑了平安保险。
待发段，特殊滑道化解险情
待发射段，是指航天员进入飞船座舱至火箭点火这一时间段。设计师们根据世界载人航天历史上各种情况的综合分析，认定此时的危险源主要是火箭或飞船推进剂泄漏、着火，火箭发生故障等，一旦发生问题，救生以航天员迅速离开发射台为目的。按照预定程序，在火箭点火前2小时，航天员乘电梯进入飞船座舱，参与射前人--船--箭功能检查；点火前1小时20分，工作人员关闭舱门；点火前5分钟，航天员系好束缚带，关闭头盔面罩，戴好手套，准备升空；火箭、飞船的故障检测和逃逸救生系统开始进入工作状态。
在点火指令下达前，如果出现紧急情况，火箭、飞船研制者设计了两种救生模式，一是通过特殊滑道或防爆电梯迅速撤离危险区，二是采用逃逸飞行器连人带船一起飞离危险区。
乘滑道和电梯撤离的前提是时间有余量。航天员要迅速从座椅处攀上近2米高的舱口，在医保人员和发射塔勤务人员的帮助下，快速打开飞船舱门，以最快速度钻出飞船。飞船舱门正对着第九层发射塔架，旁边有一个航天员专用防爆电梯可以乘电梯撤离现场。如果塔架已经断电或时间实在紧迫，航天员就要赶紧跑到撤离滑道入口处，一条特殊滑道直挺挺地通到地下安全隐蔽室，航天员必须不顾一切地跳下去。九层塔架相当于十几层楼房高，跳下去还不摔死了？其实不然。
紧急撤离滑道由钢套管和高弹力阻燃救生袋组成。救生袋是一个直径较小、仅容一个人挤巴巴地进去，高约50米的大尼龙口袋，外层为防火的玻璃纤维，能防止大火烧蚀；中层为弹性纤维层，能适应不同身材的逃逸人员控制下降速度；最里层为特殊纤维层，这种纤维的张力为钢材的10倍，用来支撑救生袋的全部重量，并且表面柔软，摩擦系数较小，下滑舒适。跳进救生袋时，航天员要先把腿放进入滑道，双腿叉开，伸开肘部及手便可以控制下滑速度，当用力撑住口袋壁面时，能完全停止下滑。口袋底部有海绵减震软垫，口袋的出口处还要拧几下，防止下滑者由于速度过快出溜好远而摔伤。为了防止静电产生，发射前还要用水浇湿整个滑道。从口袋里钻出来，便是发射架基座下面的一条通道，穿过防爆门、密封门，可以撤离到安全的地下掩蔽室逃离危险区。在中国航天员平时的训练中就有这个科目，紧急撤离的路线早就演练过多次。
在世界载人航天的历史上，1967年1月27日美国阿波罗4A飞船地面试验着火，是发生在发射台上惟一的一次死人事故。当时，阿波罗4A飞船和土星5号火箭在进行地面联合模拟飞行试验。
飞船中有3名航天员，如果这次试验成功，他们将进行登月前的轨道飞行。当训练进入最后的倒计时时，突然程序中断，通话器里听见航天员在大喊：“着火了！”“快放我们出去！”等毫无准备的救援人员跑去打开舱门，3名航天员已全部被烧死在舱内。后来查明，起火原因是电线短路和舱门设计不合理。阿波罗飞船座舱里气压较低，打开舱门的时间设计为90秒，着火后，舱内形成负压，无论里面还是外面在短时间里都无法打开门。中国飞船的设计师充分考虑了打开舱门的细节，使舱门无论从里面还是从外面，不超过3秒钟就能迅速打开。
如果险情一触即发，时间不允许航天员出舱进入滑道，火箭上的故检系统一个信号发出，逃逸塔就即刻点火升空，使航天员脱险。
上升段，让飞船听话受控
民航的人身保险是以飞机的整个航程时段为保险单位的，而对航天员的人身保险，火箭和飞船的设计师是以秒甚至毫秒的时间段来全程保险的。
在发射上升阶段，最大的危险来自火箭的故障，比如，发动机推力不足，姿态不稳，或偏离预定轨道等。这时，救生的办法分发射台救生、低空逃逸塔救生、高空无塔救生和大气层外救生四种，共有5种模式。
李颐黎主任设计师说，如果在发射台上发生意外，必须迅速使火箭终止飞行。这种情况并不鲜见，1964年12月8日，美国发射双子星座2号飞船时，火箭点火1秒偶遇故障，实施了紧急关机，泄出推进剂后，推到第二年1月才实行了再次发射。美国航天飞机第19次飞行时，点火3秒，也因故障实施紧急关机，航天飞机自动熄火停止了发射。1992年3月22日，中国为澳大利亚发射卫星，因4个火箭助推器发动机中的2个未能正常点火，点火7秒也自动紧急关机，这事也证明中国早就掌握了灾难规避技术。
火箭一旦从发射台上起飞，开弓就没有回头箭，这时的救生办法是使逃逸塔点火，拉着飞船迅速离开有故障的火箭。逃逸塔的作用是火箭起飞前5分钟到起飞后120秒钟期间，也就是飞行高度在0公里至39公里时，帮助航天员脱离危险区，打开降落伞安全着陆。在世界载人航天史上，逃逸塔只被使用过两次。
火箭飞行120秒后，逃逸塔按照预定程序被抛掉，从120秒到200秒的时段，火箭飞行的高度在40公里至115公里，此时，飞船如果收到火箭发生险情的信号，就会自动与火箭“一刀两断”脱离关系，然后进入返回程序自行返回救生。
大气层外的救生是难度最大的救生。火箭飞行200秒以后进入了115公里的外大气层，再飞行280多秒便进入207公里的飞船入轨轨道。这一段的救生时间跨度大、飞行距离远、速度快，直接导致箭船分离后返回舱落点散布范围很大。李颐黎画了一张示意图，一看真叫人吓一跳--返回舱的航程大约有8000公里，仅海上落区就有5200多公里长！这么大的范围，即使返回舱安全落地了，地面搜救人员仍然无法及时赶到落点让航天员平安回家。是实施全过程救生呢，还是预设几个点救生？李颐黎和他的研制队伍站在了进退两难的悬崖边。想参考一下苏美的经验，一查资料，他们傻眼了。前苏联由于国土面积较大，陆上航区较长，海上落区只有3500公里长，他们在海上布置了7艘船、110架固定翼飞机和179架直升机，搜救人员4500人；美国水星号飞船发射时，在海上设立了16个应急救生点，布置了24艘船，包括3艘航母以及126架飞机，动用人员2.6万。这样的物力、财力和人力的付出，都是我国的国情所无法承受的。
大气层外的救生究竟怎么办呢？这个令人头疼的事摆上了载人飞船工程总师的案头。一时间，工程总师的专车经常“搭载”李颐黎上班，汽车成为俩人讨论问题的“接头地点”。终于，设计师系统提出了一个大胆的设想：飞船一旦在大气层外遇险，应利用飞船的控制系统和自身动力，尽量使飞船入轨，然后进入预定的返回程序，这就等于把茫茫大海上的搜救变成了在国内陆地上的回收；万一飞船入不了轨，也可利用船上控制系统让飞船进入预先选定的海上搜救圈。
飞船控制专家陈祖贵成功地把这一国内外首创的设想变成了现实。设计中光计算公式他就写满了四大本，摞起来有30厘米厚。他们研制成功了自主瞄准技术，用8个陀螺输出的12个飞船姿态数值，随时修正、调整飞船的方向，控制飞船准确返回到预定的回收区。4艘神舟号无人飞船的试验，证明这一国内外首创的新技术完全成功，落点精度全部都在正负10公里左右。这样，我国陆上回收场只设主着陆场、副着陆场和少量应急着陆场；海上应急救生区也大大缩小，总共只设3个区，A区长955公里，B区长800公里，C区长360公里，总长度仅2115公里，只需要配置6艘打捞船和少量直升机就可以保证航天员落到哪里，搜救人员就及时赶到哪里。
运行段，每圈都有护身符
飞船进入轨道正常运行后，救生系统也不是万事大吉。万一飞船的航天员座舱被流星或太空垃圾击穿，或船上某个阀门泄漏怎么办？
设计师们根据飞船绕地球飞行的时间，为飞船飞行的每一圈都设定了所经过的应急救生着陆区，着陆区涉及了国内外十多个地区，有国内内蒙古中部和西部的主、副着陆场，有华北地区及东南地区，有四川中部地区，还有国外澳大利亚、巴西、美国及非洲和阿拉伯地区。李颐黎拿出了一张长长的表，上面详细标明了飞船每一圈进入预定落区的时刻和飞出落区的时刻，时间精确到哪一天、多少小时、多少分、多少秒和多少毫秒，并标出了其间的飞行距离，落点的名称。那张表上，一共标出了飞船第2圈到109圈的情况，也就是说，飞船在轨道上运行的7天里，天天受关怀，圈圈有保护。
具体来说，针对不同的险情设计师精心布置了三道防线。
当飞船局部发生故障，情况并不十万火急时，设计师为飞船设计了18小时等待返回功能，飞船可充分利用此时间，尽量选择最近的、着陆环境最好的应急着陆区着陆。
当座舱发生泄漏时，航天员面前的控制面板会显示压力应急报警信号，航天员必须在10分钟内穿好航天服，接通供气管。航天服可连续6个小时保证航天员的氧气供应，利用这宝贵的6小时时间，设计师为飞船设计了稍候返回功能，飞船仍然可以选择适当的飞行圈数，在10个寻应急着陆场中选择找比较适宜的着陆。
如果险情十分紧急，飞船还有立即返回功能，设计师保证飞船有2个小时的时间，瞄准第一个来得及着陆的地区着陆。
在神舟四号飞船的飞行中，先后注入了17次应急返回参数，模拟的救生模式一一对应，准确无误。
应急救生着陆对飞船的控制系统有很严格的要求，一旦控制有误，后果不堪设想。返回控制系统是一个随时间变化对非线性的,多变量的随机控制系统,需要控制飞船的纵向航程、侧向航程、过载以及姿态,但控制手段只有一个,那就是飞船有限的升力。设计这样的控制系统的难度,可想而知。为了解决气动参数不确定的难题,陈祖贵和同事们研制成功世界首创的升阻比实时估计的自适应返回控制新技术,将4艘飞船安全准确地控制到预定回收区。落点精度达到世界先进水平,4艘神舟号无人飞船返回落点精度之高，相当于打靶打了十环。我国成为世界上第三个掌握了飞船可控再入的国家。
返回段，处处有惊无险
安全返回是载人飞船的最后一关，也是载人航天的成功标志。但要做到安全，谈何容易。飞船返回和着陆阶段指离开运行轨道到着陆为止，是故障与事故的多发阶段，也是航天员罹难最多的阶段。如果从1967年4月24日联盟1号因降落伞未能打开而摔死的航天员科马罗夫算起，到1971年6月30日联盟11号返回时座舱阀门提前打开空气泄露，多勃罗沃尔斯基、沃尔科夫、帕察耶夫3名航天员窒息而死，再到2003年1月4日美国哥伦比亚号航天飞机返回时解体，7名航天员遇难，在返程途中一共牺牲了11名航天员，占所有遇难航天员的1/2(地面训练牺牲4人，发射升空时挑战者号爆炸牺牲7人，共11人)。
返回着陆段的危险主要是，一旦船上惯导系统失灵，飞船无法建立制动姿态；变轨发动机出现故障；降落伞发生问题；着陆缓冲发动机不工作等。设计师根据上述可能发生的故障，制定了不同的措施。
惯导系统失灵怎么办？船上还备有光学瞄准镜，航天员可用这套设备获取飞船的姿态角，手动控制，使飞船两次调姿转向180度，建立起制动姿态。
变轨发动机有故障怎么办？一、三发动机出现问题，则有二、四发动机替补；4台发动机全部出现故障，还有另外8台150牛的小发动机，足以让飞船完成制动调姿，返回主、副着陆场。降落伞坏了怎么办？主飞船上备有2套降落伞，主伞按正常程序应当在距地面11公里的高度上开伞，此时返回舱就会减速。如果主伞不能正常工作，那么返回舱的速度就减不下来。这时，舱里静压高度控制器就会自动打开一个开关，迅速断开主伞，切换备份伞系统工作。返回舱配置了相互独立的两个伞舱，主伞和备份伞不会相互影响。
着陆缓冲发动机不工作怎么办？设计师在返回舱底部安装了一台γ高度仪和4台缓冲发动机，当飞船距地面10米高时，舱内的指示灯提醒航天员“即将着陆”，距地面1米高时，γ高度仪发出信号，“指挥”缓冲发动机点火，给飞船一个向上抬的力，飞船的落地速度便减到了1～2米/秒，航天员可以安然着陆。万一发动机不点火，航天员会不会被墩坏？对此设计师也留了一手，他们在航天员的座椅下部安放了一个胀环式的缓冲器，它起弹簧的作用，可以吸收震动的能量，保护航天员不被墩坏。
着陆后的许多细节，设计师们也安排得很周全。返回舱落地后，“接头信号”就会立即发出。信号有两种，一种是闪光灯，一种是染色剂。闪光灯以每分钟闪动55下的频率发出白色的闪亮，可以连续闪光25小时，为夜间提供返回舱的位置信息；染色剂由荧光素纳盐构成，返回舱落水后，1千克染色剂溶于水中，在返回舱周围可形成一大片绿色荧光区，白天易于飞机的搜索。返回舱里为航天员准备的救生物品一应俱全，有远距离呼救电台、GPS定位仪、信号枪、闪光标位器、太阳反光镜、光烟信号管和海水染色剂；有急救药包、蛇伤自救盒、蚊虫驱避剂；有食品和饮水、指北针、抗风火柴、防尘太阳镜、引火物；还有救生船、渔具、驱鲨鱼剂、抗浸防寒飘浮装备、救生手册等，还为每个航天员配置了救生手枪和生存刀。
“不惜代价，一切为了航天员的安全”这不是一句空洞的口号，它是千千万万打造火箭和飞船的人溶入身心的自觉行动。看看这些看似枯燥的试验记录，你无法不被自我苛刻的航天人所感动：
--零高度逃逸救生试验，验证了发射台上火箭发生严重故障时而实施的逃逸救生方案的可靠性和安全性。
--水上溅落与海上漂浮试验，验证了返回舱水上抗倾覆能力和密封性能，验证了信标和染色剂的海上工作性能。
--舱段分离试验，进行了15次轨道舱与返回舱的解锁分离试验，11次返回舱与推进舱的解锁分离试验，验证了三舱段分离的可靠性。
--空投着陆冲击试验，累计进行了72架次空投试验和50多次冲击过载试验，全面考核了降落伞的性能，验证了航天员受到的冲击过载满足医学要求。
--综合环境应力试验，通过飞船电子设备在振动、湿度、高温和低温恶劣环境中工作性能的考核，检验并暴露元器件、材料和工艺等方面的缺陷，累计考核电子元器件8万多个，设备60多台，连续数百小时工作无故障。
--三机容错试验，飞船的制导、导航控制分系统和数据管理分系统广泛采用了可靠性设计措施，具有三机容错的能力，保证飞船“一次故障正常工作”“两次故障安全返回”。
正是千千万万个一丝不苟、埋头苦干的航天人，为中国的航天员铺就了一条平安大道，在浩瀚无垠的太空释放了五星红旗的辉煌。
