为何SpaceX、波音、蓝色起源都放弃了逃逸塔?

本文是YouTube原视频 https://www.youtube.com/watch?v=0MaeHNU2660 的文字版翻译

原文地址 https://everydayastronaut.com/abort-towers/

视频烤肉版在


商业航天工业在发射逃逸系统方面有一个大趋势,三家商业航天公司的载人飞船逃逸系统都放弃了过去传统方式的逃逸塔。

三家公司的飞船逃逸测试

之前的飞船比如水星号、阿波罗、甚至联盟号飞船都使用的是放置在载人舱段上方的逃逸塔,可以在火箭发射失败时快速将飞船拽离火箭。

水星号 联盟号 阿波罗飞船的逃逸塔

而这个话题更有趣的是,我们发现另一个逃逸系统的趋势是太空叉的载人龙飞船和波音的星际线飞船都使用了液体发动机而不是固体火箭发动机。

那么今天我们将探讨SpaceX(以下简称“太空叉”)、波音、蓝色起源的载人飞船放弃传统逃逸塔背后的设计考虑,并评估波音和太空叉选择液体火箭发动机而不是固体燃料的原因。

波音星际线飞船逃逸发动机测试

同时,波音和太空叉的液体燃料逃逸系统都遇到了严重挫折和困难,其中包括损失一艘测试飞船,就让大家怀疑:这是个好主意吗?

每一个系统背后很多工程上的决定都很有意思,我们开始吧!

先来简单介绍一下逃逸系统,如果你坐在一个摩天大楼那么大的窜天猴上,那么发生意外时就应该有一个快速逃生的办法。

阿波罗飞船逃逸测试

原本逃逸系统的工作原理是在火箭燃料箱从头到尾放置有三根导线,一旦任何一对被切断,就会触发逃逸系统点燃发动机并将乘员舱段在不到一秒的时间内分离。

逃逸发动机需要推力足够大,从而保证尽快将飞船拽离故障的火箭。该系统几秒内加速度可达15G,听上去会很爽很酷炫,但实际上一点都不好玩,这相当于被一辆半挂卡车连续撞了几秒。

并且自从人类航天飞行早期阶段,至少在美国,工程师们选择的是在飞船顶部安装发射逃逸塔。你会看到一些脚手架一样的东西上装有强力火箭发动机,然后下面可能是水星号飞船、阿波罗飞船、联盟号飞船、中国的神舟飞船以及即将到来的猎户座飞船和印度的Gaganyaan飞船。

这些飞船的逃逸系统都使用固体火箭发动机,在那种小尺寸下推力非常大,它们可以立即点火,结构简单,不工作时放置相对安全。

这种有塔的构型叫拖式逃逸系统,因其发动机位于飞船上方,拖拽飞船逃逸,与绝大多数位于火箭底部,推动火箭前进的发动机不同。

三款最新的载人飞船都选择了放弃拖式逃逸系统,且都选择了另一种名为“推式”的逃逸系统。更有趣的是,太空叉、波音和蓝色起源各自作出这样选择的原因完全不同。

我们先从蓝色起源的新薛帕德飞船开始,它是亚轨道旅行竞赛中两名参赛者之一,对手是维珍银河的两架太空飞机,但蓝色起源的新薛帕德飞船是唯一拥有逃逸系统的。

蓝色起源的逃逸系统选择的是固体火箭发动机,安装在飞船中央一个看着像个漂亮的桌子下面,但它其实是一个装有固体火箭发动机的大型耐爆炸高压管。

蓝色起源 新雪帕德飞船的固体火箭逃逸发动机


里面看是一张很好看的桌子

之前提到这属于推式逃逸系统,因为逃逸时尾气从飞船底部喷出。这个系统有趣的一点是它使用的时候看上去很不稳定,很有可能是因为它推力的重心与自身重心太近了,使其本身稳定性较差,貌似可以使用某些气动性质来让自身更加稳定。不过当然,只要飞船远离了火箭,基本就安全了。

看上去不是很稳

蓝色起源的逃逸系统使用固体火箭是合理的,因为它只会在紧急情况下使用,它就是摆在那,并且希望永远不会派上用场,这恰好是固推的性质所擅长的。

它储存安全,且推重比高,使用起来很无脑。可是问题来了,为什么他们不用传统的逃逸塔呢?

首先,新薛帕德飞船目标是廉价、可多次快速发射、完全可复用,它的助推器可以靠自身反推完成酷炫的着陆,飞船用安全可靠的降落伞进行软着陆,尽可能少甚至不进行翻新。

新薛帕德下面级的反推着陆

而逃逸塔通常是要被抛弃的,这样在其可使用的时间段过后可以减少飞船死重,但对于本身就直上直下的亚轨道系统,你可能认为他们可以把逃逸塔留着不扔。

抛逃逸塔以减轻死重(来自咕到天荒地老海枯石烂的SLS的CG)

这倒也没错,因为飞船顶部没有要露出来的对接口,因为新薛帕德飞船不会和任何东西对接。可假如说你留着逃逸塔在上面,那你可不想在有逃逸塔的时候开降落伞,因为有很大的缠住伞绳的风险,所以对于逃逸塔来说,任务成功需要逃逸塔能成功脱离,否则降落伞就无法正常工作了,于是问题就变成了:设计一个需要每次飞行都进行分离才能成功的系统是否更好?还是说你想设计一个只需要在紧急情况下启动的系统?

另外,蓝色起源也不想在飞行中抛弃逃逸塔,因为它的落点可能离自家厂房太近,每次飞行都有砸坏自家厂房的风险,这也会增加成本。

但蓝色起源使用推式系统可能还有一个更重要的原因,相当相当重要的原因。观察这些拖式逃逸系统,你有没有发现少了什么?拖式系统几乎都有一个保护性的罩子,会挡住飞船的窗户,从而在逃逸系统启动时保护飞船本身。

传统逃逸发动机用一个字形容,就是“莽”!所以要把窗户遮住是为了保证它不被尾焰吹黑吹坏。水星号飞船逃逸塔没有遮住窗户是因为水星号飞船的逃逸塔发动机比其他的位置更高,早期人类航天中个别事情会和现在有所区别,放到今天可能就很迷惑。

约翰·格伦登上水星号飞船 注意中间的窗户是没有遮盖的

既然拖式逃逸发动机和大窗户不可兼得,那遮住世界上飞往太空的最大的窗户就太丢人了。

新薛帕德飞船旨在提供拥有震撼视野的太空旅行体验,他们当然会把透过巨大窗户看外面这个要求放在首位。所以对于蓝色起源来说,使用固体火箭发动机的推式逃逸系统就很合理了。

这大窗户遮住太可惜了

接下来我们说说波音的星际线飞船和太空叉的载人龙飞船,它们都是设计给NASA运送宇航员到国际空间站用的。它们现在专门用于往返国际空间站,但以后某天它们可能都会接一些商业的私活。

太空叉的龙飞船与波音的星际线飞船也都使用了推式系统,都没有选择逃逸塔的方案,且都没有选择更加传统的固体火箭发动机,转而选择了液体燃料驱动的逃逸发动机。

你现在可能会奇怪,液体火箭发动机怎么做到在紧急情况下快速安全可靠地逃逸呢?毕竟,火箭发动机需要花费数秒让泵转起来,之后才能点火,所以……听起来这个选择不是很好?

什么?你连发动机需要泵这种事情都不知道?那还不快去看看这个视频或者这个文章!


实际上,它们使用的液体火箭发动机更像是RCS使用的发动机,使用一种无需燃料泵的挤压供应发动机可以实现快速可靠点火。挤压供应发动机只需要把燃料储存在一个高压罐中,开一个阀门,就能直接喷。为了提高其可靠性,它们逃逸系统所用的挤压供应发动机使用的是接触自燃推进剂。

自燃推进剂会在两种燃料接触时自动燃烧,所以不需要额外的点火源。这使得挤压供应自燃推进剂发动机结构简单,反应快速,可靠性高,是逃逸发动机与RCS的不二选择!

接触自燃推进剂在两种组分燃料接触时即可发生燃烧

还要注意的是,虽然自燃推进剂非常稳定可靠,但它们都是剧毒、高致癌的可怕物质!

那么为什么波音和太空叉选择了液体燃料逃逸发动机呢?原因有很多,但其中最重要原因的可能是NASA对安全性的要求提高了——他们想要的是所谓的“全包络逃逸系统”,也就是从飞行中任何一点安全逃逸的能力。

当然,固体燃料发动机也能提供该选项。目前,猎户座飞船的拖式系统的固体火箭发动机可以提供前两分钟的逃逸,之后逃逸塔会被抛掉,逃逸功能交由SLS二级或者服务舱的AJ10发动机来提供。

SLS的逃逸塔

而使相比于固体燃料,用液体燃料逃逸发动机可以降低燃烧时间或推力,让发动机能更精确将飞船送入预定轨迹,可以让飞船安全再入大气,也可以让飞船逃逸入轨,这样就更容易设计一个全包络逃逸系统窗口。

但讲道理,两家公司都大可选用传统的固体火箭拖式逃逸系统。实际上,太空叉最初龙飞船——当时还叫龙骑士(Dragon Rider)——的概念中,就打算使用传统逃逸塔,并在上升阶段抛弃,就像他们2010的动画演示中那样。

太空叉早期载人飞船“龙骑士”的CG演示

所以两家公司选用推式逃逸系统的原因就如前文所说,减少一个分离事件,就能减少一分潜在的任务失败风险。把逃逸系统嵌入到飞船本身可以简化发射流程,提升成功率。

但逃逸系统集成进飞船不代表就非得用液体燃料啊!实际上使用液体燃料逃逸发动机有两个原因(甚至对于集成式逃逸系统来说是必须的)。

第一个原因是控制,液体燃料发动机可以让飞船转向,通过推力差来让飞船指向特定方向,具体来说就是增加或减少某台发动机的推力,从而帮助飞船指向正确方向,这对保证飞船头朝上尾焰朝下有很大帮助。

控制固体火箭发动机的办法倒是也有,但推力差不在其中。想让固体火箭逃逸塔转向,一种很帅的方法是使用多出口的固体火箭,让逃逸塔一圈的多个阀门开启或关闭。

猎户座姿态控制发动机测试

来看看猎户座的姿态控制发动机测试,里面是一个点火后的固体火箭发动机,一旦点火就无法关闭。想要控制转向,就要控制尾焰从八个出口出来的多少;想要直着飞,那就全部八个等大开启,所有力相互抵消就不会转向了。

然后把这个装置放到逃逸塔顶端从而提供最大的转向力矩,以便在逃逸过程中提供充足的控制,我觉得挺帅的!

在推式系统中,没有“塔”来提供那么大的转向力矩,所以使用无法控制推力大小的固体火箭发动机就不太合适。

但这两艘飞船无法使用固体逃逸发动机还有第二个原因,那就是它们还要去国际空间站……

国际空间站 昼夜交替很快

因为它们要去国际空间站,逃逸发动机就也要跟着去空间站,这意味着飞船每天要经受32次昼夜巨大的温差变化。使用自燃推进剂就没什么问题,因为它们在这些情况下仍然很稳定。实际上,此时此刻空间站上就存有一些自燃推进剂。

但固体火箭发动机每天剧烈的温度变化就可能会有潜在的爆炸风险,你肯定不想拿个炸弹和世界上最昂贵的、上面还载人的单体建筑去对接。

那两家公司又为何费劲去把逃逸系统整合进飞船上呢?这听上去挺费力不讨好啊!除了之前说的集成进飞船后发射可以少一步分离,两家公司选择集成逃逸系统实际上还有各自不同的理由。

波音改装了Aerojet Rocketdyne的RS-88发动机,使其使用与星际线飞船服务舱上的RCS相同的燃料(服务舱还装有太阳帆板和飞船的散热器),这样就不用使用原来的液氧酒精作为燃料了。

星际线飞船RS-88发动机试车

使用和RCS相同的燃料进行逃逸,就意味着在没有启动逃逸系统的常规任务中,会有更多额外燃料可以使用。

多出来的燃料除了能用于在轨机动,还可以给国际空间站提升轨道!而这目前只有俄罗斯的进步号补给船和天鹅号补给船能做到,已经退役的航天飞机和ATV飞船之前也能做到。

已退役的ATV飞船为国际空间站升轨

给空间站升轨的能力绝对是个卖点,虽然我们不确定星际线能不能落实此事,但至少有这能力总不是坏事。

但对于太空叉来说,他们不想抛弃逃逸发动机的最大原因是他们的龙飞船设计是要复用尽可能多的次数。这意味着,把逃逸发动机集成到飞船上后,他们每次飞行都可以回收发动机。

龙飞船溅落海面

但讽刺的是,龙飞船复用性还不如星际线飞船,因为载人龙飞船是溅落海面的,而星际线飞船是陆地着陆。这意味着载人龙飞船复用无法载人,只能拉货。

星际线飞船软着陆测试

更搞笑的是,星际线采用陆地着陆,可以复用十次,每次回来却要抛掉逃逸发动机,因为逃逸发动机所在的服务舱在再入前要分离。

星际线飞船再入前要分离服务舱

所以陆地着陆的要丢掉逃逸发动机,海面溅落的却不丢,你俩在搞笑吗?

但太空叉龙飞船最初选用超级天龙座(Super Draco)液体发动机并不单纯是为逃逸考虑,他们原本是打算让龙飞船反推着陆。

原计划中龙飞船会反推着陆(CG)

没错,他们原本打算让龙飞船像太空叉的猎鹰九号和重型猎鹰回收那样用极其酷炫的方式着陆!

而太空叉最初选择反推着陆的原因是为了让飞船快速复用,此外他们还想让龙飞船在火星着陆,原定是让龙飞船改装成为“红龙”飞船后执行一次火星任务,但整个反推着陆的计划被毙了。

原计划中龙飞船的火星反推着陆

太空叉放弃研究龙飞船反推着陆主要原因是NASA爸爸对这概念实在不感冒,因为这需要相当多额外的认证工作。

现在我们讲了为什么三家公司都放弃了逃逸塔,且为什么波音和太空叉选择了液体燃料的发射逃逸系统,那么问题来了:这是个好主意吗?

波音和太空叉在测试他们的液体火箭逃逸系统中都遇到过麻烦:2018年,波音的星际线测试飞船遇到过异常,当时他们在准备进行发射台逃逸测试,自燃推进剂发生了泄漏。

太空叉在2019年出的事就更牛逼了,他们在准备用回收后的DM-1载人龙飞船进行飞行中逃逸测试前的静态点火的时候飞船原地爆炸。

还好上面没人

我个人认为这些问题都会得到解决,这些燃料、这些系统和全世界几乎所有航天器使用的非常相似。毕竟连卫星也在用液体的自燃推进剂进行在轨机动,航天飞机的轨道机动系统(OMS)使用的是自燃推进剂,货运龙飞船也使用自燃推进剂飞了十多次,而这些系统几乎没出过问题。

简言之,这些系统是安全、简单、可靠的。那为何在测试中会遇到这么严重的问题?

经常听到的回答通常是 “测试就是为了这个”,但我通常认为是在测试的内容是正常操作不会干的。比如反反复复测试某些系统,或者一天之内反复加燃料,这些条件都是远远比真实环境严酷得多。

在地面上测试出问题不是坏事,只有发现问题才能让飞船更加安全可靠。

液体燃料逃逸系统很有用,有潜在的复用价值,可以简化航天器、简化发射流程。而且不用的话,还能拿来干别的事,比如给空间站升轨甚至反推着陆,虽然我们可能永远见不到这两件事的发生了。

我相信两家公司都已经从这些系统的故障教训中有所改进,我也毫不怀疑在我们送人上天前这些问题都会被解决,希望越快越好吧!

今天我们先讲了从以前传统的逃逸系统,然后突然来到21世纪三家公司使用了截然不同的逃逸系统。再一细品发现,每家公司这些工程上的决策背后原因却都不相同,甚是有趣。

另外既然说到了逃逸系统的未来趋势,我将在下期文章中讲讲为何太空叉不打算在将来的Starship上安装逃逸系统,并解答这是否是个好主意这样的问题。那么我们下期再见吧!

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