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发信人: dxmxqe (婴儿), 信区: Aero
标 题: 载人航天器的救生系统方案
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon Jun 7 19:10:39 2004), 站内
吴清才
自1961年前苏联成功发射世界上第一艘载人宇宙飞船，人类就已进入了太空飞行时
代。但是，载人航天器的发展并没有十分完善，从航天员进入座舱起，到着陆后离
开座舱为止，航天器都有发生危险的可能。航天飞行的安全不仅取决于载人航天器
、运载工具、发射装置、测控设备以及搜索救援设施等组成的航天大系统的安全可
靠性，还取决于航天员的训练质量，人机系统的合理协调，航天员的健康条件以
及地面飞行小组的工作的可靠性。其中航天器的安全救生就是最突出的问题之一。
在30多年的载人飞行中，曾经发生了十余起重大事故(见下页表)。这些惨痛的教训
告诉人们，载人航天器的安全可靠性直接危及航天员的生命安全，必须引起人们的
高度重视；同时，也对载人航天器救生系统方案设计和救生设备的研究提出了更迫
切的要求。
所谓载人航天器救生系统方案，就是在航天器的安全得不到保证的应急情况下，为
拯救航天员生命而设计的安全救生措施及设备，它应满足飞行各阶段(发射、上升
、轨道飞行、下降和着陆)的要求。
本文综合介绍了载人航天器在大气层内的救生和轨道飞行救生中所采用的救生方案
和救生设备。
一、应急情况下航天员生命活动条件保证要求
在航天过程中出现应急状态时应给航天员提供必要的生命活动条件，以便在营救前
所需时间内维持其生存和工作能力。要求载人航天器舱内及出舱时必须满足以下要
求：
应有预测、发现、辨认、限定和消除应急状态的设施，以及航天员通报应急情况
的设施；
对于载人航天器舱内周围环境恶化方面的应急状态，应备有航天员个人防护设施
和个人生保措施；
应急着陆(水上溅落)前后应有航天员生命活动的维持措施；
对航天员生命攸关的重要器官应有局部防护措施；
在载人航天器漏气时应有给居住舱充气的设施及个人救生装备；
航天过程中消耗性物品和材料应有应急储备；
应建立保障航天员身着航天服或个人营救囊出舱到宇宙空间的条件；
为保障航天员能顺利出舱，出舱闸门应能自动、远距离或手动开启。
二、载人航天器在大气层内的救生
载人航天器在大气层中的飞行包括发射、上升、下降和着陆，每个阶段都有可能发
生紧急情况，需要应急救生。
载人航天器出现的故障分析表
序号 年月日 航天器名称 故 障 场 合 故障原因 结局
1 1961.7.21 水星号 返回时 因水面冲击应急舱 人从水下弹出,
盖自己打开，2~3秒 免除灾难
内进水下沉
2 1965.3.19 上升号 返回着陆过程中 定向系统失调，自 启动备份装置手动
动装置发生故障 系统，着陆在俄北
部森林地带，航天
员在地面呆了3天
3 1966.3.16 双子星座号 在轨道上对接时 定向系统发生故障 为稳定轨道飞行器
过多地消耗了燃料
提前返回着陆
4 1970.4.11~17 阿波罗13号 向月球飞行的途中 完成30万公里飞行 航天员应用备份氧
后，氧气瓶发生爆炸 气瓶乘登月舱回收
装置返回地面
5 1976.10.14 联盟24号 着陆时 落进湖泽，汽车无 采用水陆两用车，
法救援 救出了航天员，航
天员在舱内呆了
12小时
6 1985.11.21 礼炮7号 站上 航天员瓦修金生病， 原计划飞行6个月，
需尽快返回救治， 实际只飞了2个月
站上只有一个返回 左右
装置，没有应急返
回设备
7 1990.7.17 和平号 航天员出舱 气闸舱舱门没关好 航天员转入具有生
活动时 保系统的气密舱,
以此作为气闸舱,
脱下航天服
8 1967.1.27 阿波罗1号 飞行前航天 电路故障，舱内纯 飞船内压力升高，
员在舱内座 氧发生大火 外面工作人员无法
位上练习和 打开舱门，航天员
检查设备时 被烧死在里面
9 1967.4.24 联盟1号 着陆过程中 降落伞发生缠绕 航天员卡马洛夫因
回收舱高速撞击地
面而死
10 1971.6.30 联盟2号 再入大气层 舱内气密性遭到破坏 航天员没穿航天服
过程中 而死亡
11 1986.1.28 挑战者号 上升段 因固体助推器故障 航天员死亡
爆炸
1发射台紧急撤离系统
载人航天器在发射台上准备发射和检查试验时，可能出现要求航天员紧急撤离航天
器、离开现场的情况，如发生火灾、有毒气体泄漏等。发射台上应急救生一般采用
滑索吊篮系统和发射勤务塔升降机系统。
(1)滑索吊篮系统
美国阿波罗号飞船为使航天员尽快撤离飞船，设计了快速开启舱门以及长约600米
的专用斜拉索。快速开启舱门可保证航天员在2～3秒钟内离开飞船，然后乘吊篮从
98米的高度沿斜拉索降到安全区。另一种方法是在航天员离开飞船后，利用斜滑梯
转移到专用的斗车或具有良好防热和密封性能的装甲车中，离开危险区。垂直起飞
的美国航天飞机也采用了发射台滑篮救生系统(见图1)。在应急时，航天员从应急
舱口出来，通过发射台专设的桥形甬道进入滑篮，利用重力滑向安全区，时间约为
35秒钟，水平距离为365米。桥形甬道带有防火防爆以及水雾幕等防护措施。
(2)发射勤务塔升降机系统
发射台上救生的另一种紧急撤离系统是发射勤务塔升降机系统(见图2)。升降机装
设在航天飞机勤务和出入设备内，在应急状态下，可以将航天员从发射勤务塔输送
到发射台最底部，远离发动机爆炸危险区，撤离时间为17分钟。
2发射上升段的救生
(1)逃逸发动机救生系统
逃逸发动机救生系统是航天器在发射台及上升段低空的救生方案。它利用载人舱作
为救生舱，用逃逸发动机将救生舱发射到一定的高度，再用降落伞系统回收着陆。
美国水星号飞船在发射台上及主动段初始段就是采用逃逸发动机将飞船送到760米
高度，然后开启降落伞系统，飞船乘降落伞降落(见图3)。逃逸发动机产生的最大
过载为30g。
阿波罗号飞船也采用应急发动机救生系统(即逃逸发动机救生系统)方案。在发射前
30 分钟至发射后30分钟这段时间，随时可以将救生舱发射到1220米高度，水平距
离610米，脱离危险区，然后打开降落伞降落。前苏联／俄罗斯的联盟号飞船应急
救生系统除发射台紧急撤离装置外，在地面人员离开发射台、工作塔架撤离现场的
待发状态下，也采用了应急发动机救生系统方案(见图4)。救生程序启动后，救生
发动机先启动，使飞船与运载火箭分离；通过控制发动机工作，保证救生系统偏离
正常轨道；升至高空后，分离发动机将头部整流罩脱离；主伞打开，返回舱乘主伞
降落，并用着陆火箭实行软着陆。
(2)弹射座椅救生方案
弹射座椅救生方案就是航天器在发射台或飞行高度在20000米以下发生应急情况时
，将人椅系统一起迅速弹离航天器，并保证人椅系统在空中稳定减速，降落到
一定高度时人椅分离，打开主伞，航天员乘主伞降落。
美国双子星座号飞船就采用了弹射座椅方案(见图5)，它可以在发射台上或飞行高
度 21300米以下时使用。在发射台上发生故障时，弹射座椅以与地面成15度角将航
天员弹射到约152米高度，着陆时离开运载火箭约305米。在高空弹射时，应备有可
使用15分钟的供氧设备，并使用稳定伞使人椅系统稳定。
前苏联设计的暴风雪号航天飞机弹射座椅救生系统在发射台应急使用时，火箭发动
机给出的速度为100米／秒，落点距发射台600米，弹射高度300米，8秒到达最高点
，过载值为20g。在上升段高度小于25000米，马赫数M不大于3时与普通飞机一样救
生。下降过程中应急时，附加发动机不工作，利用弹射座椅弹出。前苏联的东方号
和上升号飞船也采用了弹射座椅作为应急救生和正常着陆设备。
为了保证弹射座椅救生的可靠性，必须满足以下条件：
弹射救生系统在工作过程中产生的过载必须在人体的耐受许可范围内；
有效地防护航天员的脸部及四肢免受高速气流的吹袭影响；
人椅系统离开应急航天器后，应保证处于稳定状态；
必须顺利离开危险区；
保证最低的弹射高度。
暴风雪号航天飞机保证弹射座椅救生安全的措施有：①安全带，每边有1千牛的拉
力，用来固定航天员，防止倒飞弹射时臀部撞击椅盆而受到伤害。②限臂装置，能
在390米／秒下供救生用，此时若不加防护，作用在人体上的力为930兆帕。具有
50毫米间隙的限臂板可以用拉力击发器在005秒内伸出。③收脚系统弹射时大腿
抬起，防止气流吹袭腹部，减轻压力。④自动放下头盔滤光镜。⑤加稳定伸缩杆，
防止座椅弹出后旋转，保证高度稳定性。 ⑥倒向器／引向板，减小气流吹袭头部
向上的推力。⑦头靠垫，避免由于惯性力作用，头部前倾，迎面气流后推造成的头
部碰撞。由于采用可靠的防护措施，暴风雪号航天飞机座椅弹射了300多次，无一
损伤。西方国家的座椅损伤率为30%。
3上升段高空应急救生
(1)利用回收着陆系统
航天器在上升段高空应急时多采用飞船原有的回收着陆系统，因为在高空飞行有足
够的高度允许原有的回收着陆系统工作。双子星座号飞船在21300米以上及飞船与
运载火箭分离前，座舱可以靠启动制动火箭脱离运载火箭，航天员在座舱内得到保
护，并靠回收着陆系统安全着陆。
阿波罗号飞船在高空抛掉救生塔后，如遇到紧急情况，可以通过服务舱反作用推进
控制发动机点火或服务舱主发动机点火，来启动应急程序，指挥舱与运载火箭分离
，服务舱被抛弃，指挥舱实现正常再入，并以正常回收着陆系统着陆。
(2)航天飞机飞行中的救生方案
美国航天飞机在主动段飞行中的紧急救生曾考虑过采用弹射座舱和弹射座椅的方案
。由于研制经费和重量的原因，都没有采用，而寄希望于航天飞机本身的可靠性上
。图6为航天飞机在爬升阶段的4种应急处理模式：①返回发射场；②横越大西洋或
太平洋着陆；③绕地球一圈在美国本土着陆；④如果主发动机在飞行的最后几秒发
生故障，则利用机动发动机补充加速，将航天飞机送入低轨道(185公里)，然后在
第一至第三圈间返回，在美国本土或澳大利亚的预定地区着陆。
航天飞机本身虽然十分可靠，但挑战者号上的7名航天员全部遇难的惨剧说明航天
飞机仍需考虑应急离机救生系统。弹射座椅在发射及上升段的使用受到限制，从发
射台到1000 ～1500米高度范围内要把航天员弹离爆炸火球区或发动机排气火焰区
，所需的弹力超过了航天员的承受能力。如果高度超过13公里～１６公里，则要穿
上笨重的压力服，这种服装能在高速、高空下保护航天员安全。因此航天飞机上设
置弹射座椅主要是用于着陆过程救生。
4着陆冲击救生
(1)着陆冲击救生系统
载人航天器在完成任务返回地面或应急救生返回地面都存在着陆冲击的问题。载人
航天器在着陆的瞬间会产生较大的冲击过载(人体安全耐受过载不超过15g)，冲击
过载值不仅取决于降落伞系统的性能，还与着陆点位置、地质、气象、着陆角度以
及着陆速度(包括水平速度)有关。例如，阿波罗13号飞船着陆时三顶主伞只打开两
顶，造成16g的冲击；联盟38号飞船着陆缓冲火箭失灵，造成冲击过载高达50g；联
盟1号飞船的主伞未打开，飞船以高速着陆撞毁，航天员被摔死。可见一旦发生异
常着陆，航天员就会受到高的冲击过载，危及航天员的生命安全。
在医学方面，作用时间长于1秒的过载为持续性过载，会使人失去知觉，看不清东
西，呼吸困难等，但可以恢复；作用时间小于1秒的过载为冲击性过载，容易损伤
脊椎，四肢骨折，颅脑损伤，血液循环和呼吸受到影响，经治疗后可以恢复。
为了避免航天员受冲击过载的伤害，应在工程技术上改进降落伞系统，增加着陆缓
冲火箭以减小着陆速度，座椅上增设吸能杆保证人椅系统的稳定性。防护装置有
：减振座椅、头盔、椅垫、腰带系统和缓冲器。设计座椅时一定要考虑地面冲击的
复杂过程，仔细分析人椅特点。联盟号飞船在解决着陆冲击时，曾用假人、真人，
从一定的高度作下落试验。联盟号飞船应急着陆时，舱体过载值为70g，椅子20g，
头部7～８g，胸部20g，脚部70g。
减振座椅最先在上升号飞船上使用。考虑到椅子可能翻转、冲击的部位和人的安全
性，把座椅放在减振器上。水星号着陆角不大于5度，超过此角度对人体不利，所
以水星号座椅下面有一个18米厚的减振器。阿波罗号减振装置比较复杂，3个座
椅固定在一个平台上，由4个减振器吊起来，可以摆动，侧面有两个减振器限位，
舱底还有蜂窝结构减震。联盟号椅子重20公斤，有一个减振器放在头下，座上有托
垫，头部有保护措施。
束缚系统能够使航天员在着陆过程中保持良好的体位，减少人体各部分之间以及人
体与座椅之间的相对运动，防止翻转，保证冲击安全。东方号飞船、暴风雪号航天
飞机、联盟号飞船等都采用了束缚系统。
软着陆救生设备包括着陆缓冲火箭、着陆缓冲发动机，都是为了降低着陆速度而考
虑的。联盟号飞船设有主伞和救生伞，保证在足够的开伞高度安全开伞，以减速到
人体允许的着陆速度(10米／秒)，采用着陆缓冲火箭实行返回舱的软着陆后，着陆
速度降为2米／秒。对于着陆缓冲发动机，阿波罗号登月舱着陆用的是液体发动机
，返回地球表面着陆时，一般采用固体发动机。
(2)寻找、生存、救护系统
当航天员应急着陆后所处的位置不是预定地区时，需要使用寻找、生存、救护系统
。东方号飞船考虑到了所有可能降落到的各种地方，所携带的个人救生物品达40多
公斤。包括水、食品、无线电器材、蓄电池、皮船、手枪、渔具等。器材的数量够
三天使用。
航天器着陆时，有可能溅落到海上或湖中，救生系统应考虑到水上溅落的保护措施
，应能防止淹溺，防止冷水浸泡，防危险动物，要保证有水和食物，并配有水上救
生物品以及信号和联络设备。双子星座号、水星号和阿波罗号都是水上溅落(除发
射台应急时为陆地降落外)。水星号只有在垂直降落时才安全，带倾角入水时人的
安全得不到保证；联盟号不存在这个问题，它结构合理，入水后舱口在水面上，航
天员离舱时穿有保暖服、抗浸服，可在冷水中呆24小时，在冰水中可呆12小时。该
系统还应配备各种呼救器材和专门的救援体系，如飞机和救生艇等。
当航天员发生意外，降落到荒无人烟的沙漠地区时，生存的主要问题是炎热缺水。
因此除了像水上着陆一样需携带联络工具、生活用品、急救包外，特别要注意备有
一定量的淡水饮料、止渴片、防晒防裂油膏、有色风镜等物品。
三、轨道上的救生方案
1地面发射的营救飞行器
当空间事故发生后，可以从地面发射载人或不载人的航天器进入太空，和被营救的
飞行器交会对接，救出航天员，返回地面。营救飞行器可以由运载火箭发射，也可
以由航天飞机发射。利用航天飞机营救的优点是可以容纳较多的人员，再入过载小
，具有2000公里的侧向航行能力，可以水平着陆。航天飞机可以直接和遇险飞行器
对接，也可以从航天飞机上发射一个营救舱和遇险飞行器对接，救出航天员后返回
航天飞机。当对接不可能时，可以采用出舱活动安全设备进行轨道间乘员的转移。
对于从稳定状态的遇险飞行器的气闸舱或侧舱口出来的航天员，可以用遥控机械臂
系统进行营救。转移的最好方法是将遥控机械臂直接与遇险的航天员的服装或个人
营救囊相接，将航天员送到营救飞行器的气闸舱内(如图7)。从稳定状态的遇险飞
行器上救人的另一方法是将遥控机械臂与遇险飞行器相接，提供飞行器之间的直接
转移途径，或展开转移器系统，如标准系绳或环状的晒衣绳装置，以便航天员用手
操作协助在飞行器之间的转移(如图8)。
对于不稳定的遇险飞行器，不能采用上述两种方法，而要求航天员从遇险飞行器中
身穿航天服或个人营救囊离开，由载人机动营救装置对漂浮在空间的航天员进行救
援(如图9)。
2轨道营救飞行器
从地面发射营救飞行器所需的发射准备、上升、交会对接的时间很长，如果事先没
有准备，可能要花费数十天，即使有准备，也至少要一天至十数天。为了缩短时间
，可以事先发射一个营救系统——轨道营救飞行器，进入特定的轨道驻留。当其它
飞行器遇险时，轨道营救飞行器通过变轨，克服相位差，实现与遇险飞行器的交会
对接，完成营救任务。
3再入救生系统
轨道救生还可以采取太空逃逸再入返回地球的方案，称再入式救生系统。再入
救生系统安装在空间站或轨道器上。应急时航天员进入救生系统，与遇险飞行器脱
离，经过离轨、再入、下降、着陆，实现安全救生。根据结构和工作方式不同，可
分为展开式和固定式两种。展开式系统存放在救生袋内，体积小，在应急救生时，
借助机械方法、充气方法或化学方法被刚化(见图10)。固定式又称刚性救生系统(
见图11)，具有固定的结构形状，可存放在飞行器内部，也可以对接在飞行器或空
间站外面。□
中国航天一九九七年第四期
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