惊险的逃生！小火箭详解人类火箭的逃逸技术
微信号：小火箭
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小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共15612字，155图。预计阅读：1小时30分钟。
公元2018年10月11日协调世界时8时40分，一枚联盟-FG运载火箭从拜科努尔航天中心点火升空，准备将俄罗斯宇航员阿列克谢·奥福奇宁和美国宇航员尼克·黑格送入国际空间站执行第57次远征任务。
火箭升空118.7秒后，整流罩成功抛除。但第二级火箭发动机却未能顺利点火（疑与助推器分离过程的碰撞有关）。
经箭上逃逸系统自动判断，火箭立即启动了逃逸系统，载人飞船提前与火箭分离。在经历了惊险且极度考验宇航员身体和心理素质的应急半弹道式再入返回过程后，两位宇航员成功脱险，降落在哈萨克斯坦杰兹卡兹甘州城镇中心偏发射场方向19公里处。
随后，俄罗斯快速响应空降兵小组在半小时内定位了两位宇航员的位置，将出舱的两位宇航员送到就近的机场。初步检查后，二人暂未被发现有受到明显伤害的痕迹。在小火箭写本文的时候，二人正在俄罗斯接受进一步的检查。
上图为经过九死一生的逃逸过程平安返回的两位宇航员与家人深情拥抱的瞬间。
靠左为俄罗斯宇航员，本次任务的指令长，阿列克谢·奥福奇宁与母亲和妻子拥抱；靠右为美国宇航员，本次任务的工程师，尼克·黑格与妻子拥抱。
最左，站着本次发射任务的保障组成员。留着长胡子的，是我们的老朋友，东正教牧首谢尔盖。
死里逃生的宇航员握着牧首的手，平复一下心情。
本文，小火箭要和大家共同探讨如下几个问题：
在人类技术层面，有没有专门保障宇航员安全的设计？
载人航天系统工程师的逃逸系统的发展史是怎样的？
这次联盟火箭出问题，会带来怎样的影响？
未来的载人航天，会有怎样的新式系统？
设计
读过小火箭2017年的联盟火箭发射过程系列报告《小火箭图解联盟火箭的发射准备全过程》的好友们，或许还记得联盟火箭发射前的必备流程之一：开光。
仙风道骨的牧首在播撒圣水，扫除火箭前路的种种孽障。做万种事，结万人缘；利万种人，修万种行。
其实这套程序在苏联/俄罗斯武器装备发展史和航天史上有着不可动摇的地位。上图是一架即将出厂的苏-35战斗机正在接受牧首的开光仪式。
联盟火箭开光的整个过程在有条不紊地进行着。
即将登入联盟飞船的宇航员，按照几十年来传承下来的传统，在宿舍门板上签上了自己的名字，祝愿自己一定平安回家。
仅有自己的签名，法力当然是不够的，需要有真正的法力加持才行。
在宿舍门板上签名、在基地种树、悄悄在宇航员通勤大巴指定的神秘轮胎位置撒尿、吃蘸盐的面包、东正教牧首开光（俄式）；发射前所有人员吃花生（美式）；发射前所有人员吃蒸包（中式），这些广义维度的保障载人航天安全的系统工程之外，还有一些人类工程师的手段。
弹射
就像小火箭2016年的弹射座椅系列《弹射座椅：从死神的镰刀下夺回生命》中说的那样，这一切要从那个迷之微笑开始说起。
早在第二次世界大战期间，德国、英国和瑞典的工程师们就提出了用火药为动力驱动弹射座椅的设想。毕竟，在一个金属罐子里长期维持空气的高压力，同时又要保证需要的时候，里面的气体能够可靠地倾泻而出，在那个年代实在不是一件容易的事情。而橡皮筋、弹簧等机械结构又过于笨重，关键时刻还不一定能够提供足够的力量。
而火药这种东西，平时占用的空间和重量都较小，在点燃的时候，则会产生大量气体。
小火箭风格：
1公斤TNT炸药爆炸，在2800℃时产生的气体为7800升，为原先炸药容积的12500倍。
而提到火药驱动的弹射座椅，则不得不说一下英国的马丁贝克公司了。
公元1945年1月24日，马丁贝克公司的一名技术工人本纳德‧连治志愿成为了马丁贝克公司的首席弹射座椅测试员，坐到了马丁贝克的首款弹射座椅上，准备进行地面静态试验。
1946年7月24日，还是那名叫做本纳德‧连治的技术工人，他穿上试飞员的服装，准备登上一架流星III战斗机（二战期间盟军第一架拥有实战记录的喷气式战斗机），进行空中弹射试验。
起飞前的迷之微笑
本纳德·连治的首次空中弹射就取得了成功！
成功弹射后，马丁贝克弹射座椅后上方会释放一个减速伞，以便将飞行员（或测试员）与座椅分离。之后，飞行员打开自带的伞包进行着陆。
兴奋的马丁爵士与首席测试员连治相互祝贺
马丁贝克研发团队
本纳德·连治后来又成功进行了30多次各种条件下的弹射试验，为马丁贝克弹射座椅的发展奠定了坚实的基础。
弹射座椅逐渐成为了战斗机的标配。
鹞式垂直/短距起降战斗机上的马丁贝克Mk 12型弹射座椅就是典型的零零座椅。实际上，目前在役战斗机中采用的座椅大部分都具有零零弹射的能力。
在喷气式战斗、教练机的座舱盖旁边，这个红色芯白色边的倒三角，就是该机配备有弹射座椅的标识，该符号同时也标定了弹射座椅固体火箭药柱的位置。
这项技术，被自然而然地延伸到了火箭上（毕竟弹射座椅的动力来源也是小型的固体火箭。）
公元1961年，世界标准时间4月12日早晨06点07分，东方火箭在拜科努尔基地1号工位点火升空，拔地而起。
他返回地面，使用的就是弹射座椅的技术。虽然这是按预定程序进行的再入返回，但是这同时也是当时在火箭上升过程中唯一的快速飞离火箭努力到达安全地带的技术手段。
苏联雷达报告：“发现有快速移动物体从黑海沿岸的克拉斯诺达尔区域向苏联腹地飞来。”
返回舱距离地面仅有7000米了！加加林从飞船内打开返回舱的舱盖。苏联广袤的大地就在下方，高空的冷风呼呼地灌进返回舱。加加林闭眼2秒钟，然后操纵设备，将自己弹射出舱。
小火箭在这里要补充说明的是：为了防止先落地的宇航员被从头顶上坠落的返回舱砸中脑袋，东方1号飞船的返回程序是：宇航员先开伞，然后经过延时，返回舱后开伞。通过这个时间差，就可以保证宇航员始终在返回舱上方，俯视着呼啸而过的返回舱从脚下飞走了。
还带着余温的返回舱在距离地面2500米的时候，展开了导引伞，然后是巨大的主伞。公元1961年4月12日，世界标准时间07点55分，东方1号飞船返回舱第一次着陆。然后像皮球那样弹起老高，然后是第二次着陆，然后向前咕噜噜滚了好远。
（小火箭怎么知道的？因为当时苏联萨拉托夫州的2位女学生恰好目睹了飞船着陆的瞬间。根据她们的回忆录，一个硕大的球撞到农田后，后向上弹起了3米左右。哈！这下子，加加林就不能抱怨为什么非得让他在高空弹射出舱了。这家伙，要是以这个冲击力在返回舱里跟着蹦3米高，人类第一位宇航员当时的命运可就难以预测了。）
公元1961年4月12日，世界标准时间08点05分，加加林安全着陆！
加加林使用过的弹射座椅返回技术，很长一段时间，都是苏联风格的代表：简单、或许有些粗暴，但是非常有效。（虽然有时候舱门需要用力蹬上几脚才能顺利打开。）
当然，如果我们认定只有疯狂如苏联工程师，才能够决定让宇航员在高空迎着沁人心脾（或许还有些刻骨铭心）的大风，弹射出舱，在风中摇曳生姿的话，美国工程师可就有话说了：
当年，航天飞机的应急逃逸系统，同样采用了弹射座椅！
哥伦比亚号航天飞机的两位宇航员：托马斯和亨利，在上世纪80年代，在哥伦比亚号航天飞机前向时任美国总统与三军统帅里根以及美国第一夫人南希敬礼。
南希仰视哥伦比亚号航天飞机的场景。
作为人类第一架执行载人飞行的航天飞机，哥伦比亚号有诸多非同寻常的地方：
首先，哥伦比亚号的液氢液氧贮箱的外壁是白色的（以后的航天飞机，为了减重，把这层白漆给省了。小火箭风格：由此减重272.8公斤。）
第二：这架航天飞机，起初只有两位乘员。
第三：哥伦比亚号航天飞机，她装备了弹射座椅。
这就是哥伦比亚号航天飞机上面的弹射座椅。
看着眼熟？
没错，这椅子是从大名鼎鼎的SR-71高空高速侦察机上借用过来的，只做了一些有限的改动。
上图摄于2016年7月28日，72岁的艾尔登少将（前座）和摩根中校（后座，长相酷似SR-71的总设计师凯利·约翰逊），坐在已经存放在佐治亚州华纳罗宾斯的空军航空博物馆中的一架SR-71中。注意两人之间的硕大的弹射座椅红色倒三角形标志。
整整40年前，在1976年7月28日，他们两人驾驶这架SR-71，在2.5万米高空飞出了3529.55 公里/小时的速度，创造了人类有人驾驶喷气式飞行器的速度纪录。
岁月在两人身上雕琢出了印记，而人类对速度的追求，则是永恒的。
小火箭风格：当年的那次飞行，最高速度为980.43米/秒，与一颗子弹冲出M16步枪枪口的速度相当。在这个高度，这架SR-71的马赫数为Mach 3.26。
如果我们仔细看航天飞机的涂装的话，就能够发现，原来她的驾驶舱顶部的那两个观星窗下方，就布置着弹射座椅。而红色三角形标志，也是清晰可见的。
苏联暴风雪号航天飞机（手动感叹一声！）上面同样采用弹射座椅作为逃逸系统的主系统。
暴风雪号航天飞机和能源号重型运载火箭（详见小火箭的公号报告《能源：承载苏联航天飞机梦想的传奇火箭》）的逃逸系统，以弹射座椅为核心，按设计，能够在4种场合可靠运作。
第一：发射前2小时到点火后8秒内，能够以倾斜弹射的方式穿舱射出，快速将两名宇航员送到横程500米的距离之外，最大射高300米，以最大限度地减少因能源号运载火箭的意外爆炸带来的伤亡。
第二：点火8秒后到2.5万米高空以下，能够在弹射座椅的固体火箭发动机点火之前，实时计算弹射角度进行装订，确保宇航员能够安全出舱并保证降落伞能够在较为理想的高度和角度情况下展开。这个工作状态的速度上边界为Mach 3。
第三：暴风雪号航天飞机再入稠密大气之后，一旦进入3万米高空以下，只要飞行速度不高于3马赫（Mach 3），弹射座椅就能够可靠工作，以便在航天飞机探测到自身防热系统被与大气摩擦产生的巨大热量攻陷之时，在航天飞机解体之前把两名宇航员弹出。
第四：暴风雪号航天飞机着陆过程中，一旦她发现有冲出跑道的危险，就可以马上把宇航员弹出。这是支持零零状态（零高度、零速度）的弹射系统。
和美国的航天飞机一样，苏联的暴风雪号航天飞机也是从飞机上借用的弹射座椅。
暴风雪号航天飞机使用的是大名鼎鼎的K-36系列弹射座椅。该座椅，小火箭在2016年的弹射座椅系列中有过详细分析，本文不再赘述。
K-36弹射座椅在苏-27战斗机家族上得到了大量且成功的应用。
在米格-29前线战斗机和图-160战略轰炸机上面，也能找到K-36系列的弹射座椅。
不过，暴风雪号航天飞机的K-36弹射座椅只是整个逃逸系统的一部分，使用的时候，要搭配专门的宇航服。
这是专门配备给暴风雪号航天飞机宇航员的高空弹射宇航服，用于在暴风雪号航天飞机的起降阶段。
和上图这种白底蓝条的苏联猎鹰/海鹰系列宇航服不同的是，暴风雪号航天飞机的弹射宇航服更加注重在瞬间大过载和剧烈动压变化情况下对宇航员的保护，同时也贴身佩戴了一些应急救援的工具，这一点和普通海鹰系列宇航服有着本质的不同。
暴风雪号航天飞机的宇航服采用橄榄色的单色尼龙帆布制成，饰有银色饰边，大臂处有带有浓郁苏联风格的蓝条纹装饰。该宇航服内衬有厚厚的橡胶织物，并配有电连接，空气和冷却液脐带连接器。
苏联暴风雪号航天飞机逃逸系统的弹射专业宇航服自带加压面罩，随时可以在3万米高空直接接触气压极低、氧气颇为稀薄的大气。
暴风雪号航天飞机的发射场和着陆场都远离城市喧嚣，周边不是茫茫戈壁就是林海雪原，而在弹射出舱的几百毫秒的瞬间，宇航员是来不及拎常备的救援箱的，因此一些必备的救生工具就得随身携带。
上图宇航服的大腿部有两个大口袋，左腿的口袋有一把折叠刀（刀背是锯子），右腿有一把手枪。视宇航员的喜好，右腿小腿的口袋有个夹层，可以再放一支小的手枪或者4个弹夹。
（严肃地说，两位宇航员如果弹射到了密林处，是要靠这些装备，在头昏脑涨天旋地转的弹射之后不久，就要与熊搏斗的。）
公元1988年11月15日协调世界时3点00分，暴风雪号航天飞机由能源号运载火箭送入太空。随后，全程以无人驾驶的状态自动完成了入轨、姿态调整等动作。在用206分钟绕地球2圈后，自动启动再入程序，顶住着陆场的大侧风，自动着陆成功。
这是暴风雪号航天飞机唯一的一次轨道飞行任务，从此以后因为种种原因，暴风雪号航天飞机被封存。在拜科努尔航天中心的机场跑道上的这次完美的降落，成为了她成功完成首次任务的凯旋，同时也是她的绝唱。
而设计巧妙的弹射座椅和加压弹射宇航服，则并未随这次无人驾驶的任务而进入太空，此后更是再无机会。实在是令小火箭唏嘘不已。
弹射座椅后来从航天飞机上逐渐消失了，这是后话了，咱们一会儿详聊。
先说一下当下最为流行的逃逸系统：逃逸塔吧！
逃逸塔
1961年，水星计划7人在一架美国空军F-106战斗机前合影。
自左至右依次为：斯科特·卡彭特、戈尔登·库勃、约翰·格伦、维吉尔·格里森、瓦尔特·施艾拉、艾伦·谢泼德和迪克·斯雷顿。
这7个人就是美国首批宇航员。其选拔和训练标准，小火箭在公号文章《人类骄子：小火箭讲述中国航天员的传奇》，以美国、苏联和中国相比较的方式详细叙述了，为压缩本文篇幅，尽量不超过1万字，此处不再赘述。
火箭和宇航员都有了，现在需要的，就是足够好的运气和足够给力的载人飞船了。
水星飞船是美国第一代载人飞船，其底部的设计很有意思。在防热大底后面，捆着减速火箭。
水星飞船，重1.935吨，高3.51米。
最大直径1.89米，容积1.7立方米。
美国工程师首次设计的飞船，围绕能够容纳1名宇航员的容积来进行设计。
为什么容积不设定成一个整数？
小火箭答：
美国坚持使用英制单位，原定指标为容积60.0立方英尺，的确是个非常整的整数。不过，换算成公制，就成了1.7立方米了。
水星飞船的个头儿实在是太小了，以至于，宇航员们通常的说法是：
先穿上舱内宇航服，然后再穿上飞船。
值得一提的是，水星载人工程，一开始就考虑到了持续多年，迭代升级的理念。从弹道和轨道特性上，逐渐提高要求。
在小火箭的X-15系列《小火箭 | 详解 X-15：最经典的高超声速亚轨道空天飞机》和水星飞船系列《小火箭 | 纪念人类首次载人亚轨道飞行57周年》中，工程师马克西姆已经为我们所熟知。
他是美国最早的载人飞船——水星飞船的总设计师，同时也是X-15高超声速亚轨道飞行器的重要设计师。
公元1961年5月5日，美国宇航员艾伦·谢泼德乘坐自由7号水星飞船，被一枚由红石弹道导弹改装而成的运载火箭送入太空，实现了人类第一次亚轨道飞行。
马克西姆对人类太空探索事业的重要贡献，体现在上图红石火箭和水星载人飞船顶端的那个红色大铁架子上。
那是人类最早的逃逸塔。
1958年，水星飞船的总设计师马克西姆认为，传统的弹射座椅在飞船和火箭上的使用有些太过刺激了。宇航员虽然穿着特制的宇航服，但是一旦火箭爆炸，这身衣服到底能不能确保宇航员在穿过一团火球后还能生还，这是个值得考虑的问题。
于是，他有了一个大胆的想法：
把弹射座椅上面的固体火箭发动机变大，然后挪到飞船外面，安置到飞船的顶部。一旦火箭出现故障，宇航员不再孤单地被座椅弹出，而是随飞船一起被大号的逃逸发动机带到安全区域。
飞船本身的设计，就足够抵挡再入稠密大气过程中的高温，而其结构强度当然也比宇航员的血肉之躯强多了，因此可以在很大程度上提高宇航员在事故发生时的生存能力。
于是，逃逸塔诞生了。
这张带有水星计划7人的亲笔签名的卡片上，较为清晰地向我们展示了水星飞船逃逸塔（红色）与飞船（黑色）的比例关系。
飞船顶部红色的桁架结构上，有一台带有3个倾斜喷管的固体火箭发动机。一旦出现情况，该发动机会率先点火，然后用强大的力量把飞船拽出火箭顶部，并向斜上方飞走。
随后，飞船将会在高空启动开伞程序，将宇航员平安送到地面。
从这张由小火箭好友提供的水星飞船在方案设计阶段的图纸，我们能够看到逃逸塔固体火箭发动机、逃逸塔桁架结构的总长度相当于水星飞船的2倍。
足够长的力臂，才能用较小的推力就可以提供使得飞船改变姿态的力矩，从而把更多的力量用于将飞船快速拉离火箭。
这是水星飞船逃逸塔，也就是人类第一款载人飞船逃逸塔的固体火箭发动机的特写。
这么长的杆子，顶个大发动机药柱，会不会对火箭的空气动力特性产生不利影响？
答：在水星项目中，有关空气动力的探讨，一直都有的。这些都在工程师的测试和计算考虑范围之内。
上世纪50年代，艾伦博士的钝头再入理论，在很大程度上改变了人类对再入飞行器的气动加热与热防护的认识。小火箭甚至可以说，是艾伦博士的理论塑造了如今的载人飞船和先进再入弹头的形状。
在这份小火箭好友提供的水星飞船的4次方案的改进历程示意图中，我们能够发现两个要点：
第一，美国工程师在那个年代还是比较固执地使用英制单位的。
第二，他们一开始还就真的没怎么想改，真的就想要用一枚内部掏空的洲际弹道导弹弹头来直接运载宇航员！
到了B、C和D方案，人类工程师通过大量实验和计算，逐渐优化出了现代载人飞船的外形。
而这种钟形舱的形状，其影响，一直延续到了今天。
钟形舱一方面让飞船的外形更加优化，另一方面，让整体长度缩短，这给其顶部添加逃逸塔提供了一定程度的可能。
接下来，就是大量的气动试验了。
这个做法比较土豪：直接上1:1的，不搞缩比。这个硕大的全尺寸风洞自第二次世界大战以来就非常出名，是令全球工程师羡慕不已的一套试验设备。
有关这个风洞，咱们改天可以和小火箭一起详细聊聊。
大量的仿真和地面试验完成之后，人类首颗逃逸塔系统也就迎来了大考：
飞行试验。
公元1959年8月，也就是在马克西姆提出逃逸塔概念的11个月之后，名为小乔的火箭就顶着带有人类首个逃逸塔的水星飞船出现在了弗吉尼亚逃逸系统测试中心。
当时如日中天的飞机制造商麦克唐纳公司主动请缨，接下了制造飞船的任务；而当时的大汽车生产企业克莱斯勒公司则赶来帮助美国宇航局生产火箭箭体；在第二次世界大战期间，生产过最多飞机的北美航空则专门成立了火箭与导弹部，准备成为项目的主承包商。
小火箭注：整个第二次世界大战期间，北美航空共出厂各型战斗机和轰炸机41191架。
仅5个月的时间，6套飞船和火箭就齐备了。
小乔火箭和带有逃逸塔的水星飞船飞行正常。
公元1959年12月4日协调世界时16点20分，一只名为山姆的恒河猴，乘坐小乔火箭2号机，在11分06秒的飞行中，飞出了312公里，弹道高点85公里。
顶个逃逸塔，飞船和火箭不仅能飞，而且还能运猴子和猩猩。
详见小火箭在2016年2月2日发布的报告《猴子，真正的太空探索先驱》。
或许是急于证明自己，人类的首款逃逸塔还没等到水星飞船做完全部测试，自己先点了一把。
1960年11月21日，工程师们聚集在卡纳维拉尔角第5号发射场。
一枚红石弹道导弹（火箭）顶着一个无人版本的水星飞船准备做一次亚轨道发射试验。
协调世界时14点00分，火箭点火。
然后，惊险的一幕出现了。
红石火箭在离地10厘米后，主发动机突然主动关闭。火箭结结实实地又蹲坐了回去。
当时，固定火箭的所有螺栓早已断开，火箭没有任何其他支撑。而贮箱内摇摇晃晃的液氧，随时会让火箭连同飞船一起躺倒在发射场并酿成大祸。
然而，老天爷帮忙。就在火箭升空10厘米后又坐回来的时候，发射场的风突然停了。一切变得非常安静。
此时，控制信号还是连通着的。指挥员准备再次点火，让发动机重新启动。
指挥大厅里，已经有人在喊：“天哪，赶紧再点火，火箭要是躺倒了就完了！”
就在此时，红石-水星火箭顶端的逃逸系统突然开始自动工作。
固体火箭发动机开始启动，强大的推力把水星飞船拉起，然后快速飞到了150米远的地方。仅5秒，逃逸系统就让水星飞船来到了距离地面1200米的空中。
然后，水星飞船开始抛减速伞并快速自动切断伞绳，紧跟着抛出了面积最大的主伞。
不一会儿，水星飞船就安安稳稳地降落在了距离火箭370米远的地方。
面对发射场里从液氧贮箱的泄压阀不停向往释放腾腾白雾的火箭和旁边不远处弹出无线电信标和闪光灯呼救的无人水星飞船，指挥人员们慌了：
这家伙，逃逸系统还挺灵。但是，火箭现在还是带电的，自毁系统已经失灵了，万一火箭一会儿自己也点了，横着飞到附近的城镇就坏了。
于是，负责发射场安保的美国空军军官，叫来了3位神枪手，准备在远距离瞄准红石火箭的推进剂贮箱和液氧贮箱射击，打出几个孔并在发射场引爆火箭。
发射指挥员带着几位工程师奋力阻止了这样的行为。
大家能做的，只是静静等待，期待火箭电力耗尽或者液氧蒸发完毕。
这红石火箭是由红石导弹改装而来。为了备战，红石导弹的电池是非常可靠的。原本只用工作100多秒的电池，整整耗了一夜，才逐渐出现了要没电的迹象。
此时，天已经蒙蒙亮了。工程技术人员就这样守在指挥大厅整整一夜，等着电池耗尽，液氧贮箱里的液氧蒸发完毕，才算是松了一口气。
这一夜，海边的卡纳维拉尔角，居然没有起丝毫的微风。
事后，火箭完好无损，飞船除了逃逸塔需要换新，降落伞需要补充之外，还和新的一样。火箭和飞船都被运到了马歇尔太空中心的亨茨维尔工厂，简单维护之后，就又加入了试验飞行测试序列。
发射总指挥，揉了揉疲惫的双眼，说出了一句经典：
“弟兄们，我有这么一个体会：在火箭发射的过程中，如果你不知道该如何去做，那就什么都不要做。”
故障原因，在3天后被查明：这枚红石火箭上的供电电缆没有更换，而是沿用的红石导弹的。导弹的供电线要照顾到弹头的相关子系统，比火箭的要长一些。这导致本该被早些拉断的电源线在发射过程中还在持续供电。
这些多余的电流触发了主发动机控制系统的继电器，导致发动机错误地执行了关机程序。29毫秒后，整个控制电路进入重置状态。
火箭也就在升空10厘米后，又坐了回去。
这次飞行，被后人称作“四英寸太空之旅”。（10厘米相当于4英寸）
如果离地四英寸也算火箭的话，这简直就要成为人类最早的可完全重复使用的火箭和飞船了。
不管怎样，这次试验，虽然万分惊险，但是有一点重大收获：
人类第一款逃逸系统，工作可靠，而且拥有一定的自主判断和主动工作的能力。
从此，宇航员有了一定程度的安全保障。
公元1961年5月5日，美国宇航员艾伦·谢泼德乘坐自由7号水星飞船，被一枚由红石弹道导弹改装而成的运载火箭送入太空，实现了人类第一次亚轨道飞行。
在华盛顿特区的白宫，同样有人密切关注着谢泼德代表美国宇航员乃至全人类进行首次亚轨道飞行的情况。
谢泼德的亚轨道飞行，通过电视直播，后来的统计数字表明，当天有4500万人进行了观看。
小火箭风格：
时任美国总统肯尼迪，副总统约翰逊，还有阿利·伯克海军上将等人都在观看实况。
阿利·伯克？怎么听起来这么耳熟？
没错！就是那个阿利·伯克级导弹驱逐舰的那个阿利·伯克。据小火箭所知，这是美国海军史上，第一次以一位还依然在世的海军将领的名字来命名一级军舰。
如今，在我们设计载人飞船的时候，能够快速逃逸的性能，是标准配置，体现了以人为本，生命至上的原则。
反复
逃逸塔虽然在美国的第一个载人航天工程 水星计划里表现出色，但是到了美国第二个载人航天工程 双子座计划中，却又让位给了弹射座椅。
上图就是水星计划的历次发射的场景，可以看到，虽然火箭用了红石和宇宙神这样不同的型号，但是飞船顶部的逃逸塔都是非常醒目的。
到了双子座计划，载人航天的要求从送一位宇航员进入太空提升为同时送两位宇航员进入太空。
载荷质量的翻倍让火箭工程师们倍感压力。
他们找来了大力神2号洲际弹道导弹来帮忙。有关该型导弹，详见小火箭的的系列报告《井与肼的魅惑：大力神2号洲际弹道导弹》
大力神2号导弹一级火箭发动机局部特写。较粗的是四氧化二氮输送管，较细的，靠右侧的是混肼-50输送管。
喷管依然是由250根小管子钎焊而成。这些小管子是中空的，方便对管子进行冷却并预热燃料，这个在之前的文章中也详细说过了。这些小管子的壁厚只有0.5毫米！大力神2号的喷管比大力神1号的喷管做工更好一些，毕竟，她们可是要承受956.5千牛的推力！（大力神1号的一级发动机喷管只需承受666.4千牛的推力。）
喷管的材料是347不锈钢。347是美国ASTM标准确立的标号，对应到咱们中国的国家标准，应该叫做0Cr18Ni11Nb不锈钢。
大力神2号导弹的第二级采用一台LR-91液体火箭发动机。该发动机一开始的设计是烧液氧煤油的，后来改为混肼-50/四氧化二氮配置，使大力神2号导弹成为了一枚全部采用常温燃料的洲际导弹。
强大的发动机赋予了大力神2号洲际弹道导弹巨大的潜力，使其能够成为一款足够厉害的运载火箭。
然而，纵览历次双子座载人航天的发射，我们都没能在飞船顶部发现有逃逸塔。
原来，为了能够充分把运载火箭的运力用在载人上，由单人变成双人，工程师拿掉了逃逸塔。毕竟，在没有出事的情况下，逃逸塔是个严重影响火箭运力的死重。
但是，一旦出事怎么办呢？
别急，工程师们有办法。
人类首款伞翼滑翔飞船逃逸系统，伴随着双子座飞船横空出世。
可收放的起落架，折叠伞翼，使得该飞船拥有了在高空脱离火箭后，自主滑翔着陆的能力。
这种设计，使得在紧急情况下，载人飞船能够摇身一变，成为沙滩滑翔伞翼机。
当然，如果在低空低速的情况下出现问题，达不到开伞条件怎么办？
没事，有弹射座椅这种成熟方案保底。
在双子座计划中，两个宇航员成一定角度分别弹射出舱。
另外就是开足宣传攻势了：采用常温的肼系列燃料和四氧化二氮氧化剂的组合的火箭，其爆炸的火球直径小于低温推进剂的，因此弹射座椅就已经足够使用了，没有必要再用逃逸塔。
小火箭觉得，这么说，倒是有点儿道理。但是，要知道，常温有毒燃料推进剂虽然烧起来没有煤油和液氧组合那么凶猛，不过它们可是还带有魔法伤害属性的。
好在整个双子座载人工程中，没出现什么大情况，这使得对于要不要在双子座飞船上使用逃逸塔的争论被埋入了历史的尘埃当中。
登月
到了阿波罗时代，我们可以看到，逃逸塔又回来了。
毕竟，3000多吨液氧煤油的爆炸，可不是闹着玩儿的。
为了验证顶着高高的逃逸塔的飞船在大气层内飞行的可靠性，人们又想起了水星时代的小乔火箭。
这是小乔二代火箭顶着阿波罗飞船和逃逸塔准备进行测试的场景。
为什么要用小乔二代，而不是继续重启之前的老款小乔火箭呢？
答：因为阿波罗飞船比水星飞船大太多了。
上图左侧从左到右：阿波罗计划的土星-5号运载火箭、双子座计划的大力神-2号运载火箭、水星计划的宇宙神运载火箭；
上图右侧从上到下：阿波罗飞船、双子座飞船、水星飞船。
小乔二代火箭在白沙导弹靶场发射成功。
阿波罗飞船逃逸塔系统进行点火测试。注意，逃逸塔顶部的侧推小发动机正在奋力调整飞船的速度方向。
这样的布局设计，能够有效缩短逃逸塔桁架的长度。
定论
到了航天飞机时代，有关载人飞船和航天飞机到底要不要常备弹射座椅的事情，有了定论。
航天飞机的弹射座椅，借用自SR-71高空高速侦察机。
早些年，航天飞机的两位宇航员穿的这种黄色宇航服，就是专门设计用来适应高空高速弹射需求的。
这种弹射座椅能够在3万米高空和3倍马赫数下可靠工作。（理论极限工作高度为39624米，理论极限工作速度为6000公里/小时。）
上图为从SR-71的驾驶舱向外望去的情景。地球的部分弧线已经能够呈现出来了。
但是，一旦航天飞机的飞行速度超过3马赫，此时再使用这样的座椅往外弹，是非常危险的。
按小火箭的弹道计算，在整个航天飞机爬升的512秒的时间里，过了99秒之后，就基本上超出了这种弹射座椅的理论工作环境极限了。
而航天飞机固体助推器的工作时间为：127秒。
也就是说，在航天飞机弹射座椅的理论工作环境范围内，两台威力无比的固体助推器都在不停地喷出烈焰。
在这种情况下，把宇航员往外弹射，恐怕也是比较危险的。
正如航天飞机的宇航员罗伯特说的：
我不太相信自己能够在被弹射出去之后，在穿过固体助推器的巨大火焰后还能幸存下来。当然，万一我幸存下来了，我往背后一模，我的降落伞也应该没了。那个尼龙伞肯定早就被火烤化了。真出事的话，弹射座椅帮不了太大忙，我宁愿开着航天飞机去迫降。
另外，就是伦理问题了。
起初，航天飞机是为两位宇航员设计的。因此只有两个弹射座椅弹出窗。而且在后续的升级改造中，也几乎不可能专门再从防热瓦后面挖出几个洞来补充弹出窗。
而后来，航天飞机的乘员数量增加为6人。
再后来，则是这样的7人组。哈，看到了几位至今仍活跃在太空探索第一线的老前辈们的年轻时的样子。
于是，一旦出事，弹射座椅系统只能救2个人（如果真能救的话）。
那么问题就来了：让谁弹射，又以什么样的判据来选救谁？
所以，最终下了定论：
航天飞机不再使用弹射座椅。
联盟
苏联-俄罗斯的联盟载人飞船与进步货运飞船系出名门，可靠性极佳。上图为小火箭绘制的苏联-俄罗斯系列飞船的谱系表。
大喷管旁边的游动发动机小喷管的偏转角度范围是±45°。联盟火箭的助推器的工作118秒后分离，在这之后，火箭芯级的1台RD-180A发动机要独立控制整枚火箭的俯仰、偏航和滚转姿态，因此芯级的RD-180A发动机要比助推器上的RD-107A发动机多2台游动发动机。
工程师们正在准备将逃逸塔安装到联盟火箭的顶部。
在苏联工程师看来，逃逸塔是载人航天任务中太空运载器必备的应急系统。在运载火箭发射升空的过程中，如果出现不可逆转的故障，对乘坐的航天员产生生命威胁时，就全仰赖这个逃逸塔使宇航员安全脱离运载器并返回地面。
于是，他们从联盟系列火箭和飞船开始，就一直在载人飞船上标配逃逸塔。
逃逸塔通过爆炸栓以及运载器顶部设置的固体火箭使宇航员脱离并远离运载器一定距离，此后再通过降落伞进行减速以使宇航员以安全的速度着陆或落到海面。
为了增强逃逸飞行的弹道的稳定性，联盟火箭的逃逸系统还配备了栅格翼。
逃逸塔顶部的固体火箭点火，将飞船连同整流罩一起，带离火箭；
在高空，载人飞船的返回舱从底部脱落；
飞船抛防热大底，开伞；
距离地面1米的时候，开反推火箭，完成整个逃逸过程。
说起联盟火箭的逃逸塔，小火箭觉得可以多说两句。
这种逃逸火箭是真的使用过的。
1983年9月26日，一枚联盟火箭在即将升空的时候，意外起火。情急之下，逃逸塔突然启动，带着宇航员远离发射架，在2.4公里外的地方安全着陆。而就在逃逸塔点火升空后几秒内，联盟火箭突然爆炸，发射架附近变为一片火海。如果没有逃逸塔的话，后果不堪设想。
1983年的确是一次相当惊险的逃生。这也是人类迄今为止，唯一一次在地面状态，在真实的载人飞行任务中实际使用逃逸塔。
而联盟火箭第一次在高空逃生，可以追溯到上世纪70年代。
该事件，长期以来被苏联方面讳莫如深，一直以4月5日那件事为代号来代称。
公元1975年4月5日， 协调世界时11点04分54秒，一枚联盟运载火箭顶着一艘联盟7K-T第二代载人飞船点火升空。计划将2名苏联宇航员带到礼炮4号空间站进行为期60天的任务。
在升空288.6秒后，火箭发动机出现了情况，导致飞船大幅偏离预定弹道。（后人描述的第二级和第三级的情况，出自不确切来源，因没能复现，建议不采用。）
在升空294.8秒后，联盟飞船判定弹道偏差超出准许范围，自动启动了提前再入程序。
此时，联盟火箭的逃逸塔早已抛掉了。（苏联和中国的载人飞船，整体包裹在整流罩内，因此为了尽量减少整流罩重量对弹道和运载能力的影响，逃逸塔需要在此时抛掉。这一点和美国的裸露式的载人飞船稍有不同。不过这两种机制都足够安全。）
后人有把1975年的这次紧急返回视作逃逸塔的首次工作，显然是有问题的，属于没有弄清楚联盟火箭的弹道和飞行时序，但是又稍微了解到一点事件传闻的加工之作。在此，小火箭澄清一下：1975年的联盟飞船紧急返回，并未使用逃逸塔。人类飞船和联盟系列飞船第一次真正使用逃逸塔，是在咱们前文聊到的1983年9月26日。
1975年的这次紧急返回，与逃逸塔无关，而是联盟飞船自己启动了姿轨控发动机来挣脱了出问题的联盟火箭。
整个过程还是很惊险的。
这次猛烈的逃逸点火，让2位宇航员遭受到了高达21.29g的瞬时过载，两人瞬间晕厥。
不过，联盟飞船的自主性还是比较可靠的。在弹道高点192公里往下的整个再入过程中，飞船完成了自主开伞和抛大底的过程。
而指令长瓦西里和工程师马卡洛夫的身体素质也的确过硬。
在下降过程中，二人逐渐苏醒过来，并且不停地用多种频率向苏联测控网呼叫“乌拉尔！乌拉尔！”
这是该次行动的代号。
最终，在点火21分钟27.2秒后，两人平安着陆。
但是，困在返回舱内的两位宇航员，不清楚到底落在了什么地方。工程师马卡洛夫胸部受伤，胳膊和腿部多处扭伤和挫伤（瞬间承受21倍自身体重的力量），不过他还是看了看手表，开始估算弹道落点。
马卡洛夫向指令长瓦西里报告：我们可能落到了中国境内。
瓦西里当即决定：销毁一切数据。
（礼炮-4号空间站执行大量的太空军事任务，而人类在上世纪70年代，早就达成了太空非军事化的共识。当然，这是表面共识。）
然后，就在他们急忙撕毁各种文件的时候，突然开始天旋地转起来。
指令长瓦西里的头撞到了控制面板上，流出了血。
原来，紧急着陆的联盟飞船，正好落在一个非常陡峭的山坡上。两人这样在舱内折腾，改变了飞船的质心，让飞船一下子就滚落了下去。
153米后，飞船未能及时切断的降落伞绳非常幸运地兜住了一棵树，赶在坠入悬崖之前让飞船停止了滚动。两人身上又多了不少伤。
瓦西里决定，打开舱门。
在开舱门的瞬间，凛冽的寒风立刻灌了进来。
这倒春寒让阿勒泰山区处于-6℃到-10℃的气温中。两人在严寒中，坚持了一整夜，第二天终于被苏联救援人员发现并接走了。
当然，事后分析，两人其实并未落在苏联境外。
小火箭风格，当年的4月5日事件的具体落点为：
北纬 50°51'N，东经 83°26'E
还在哈萨克斯坦境内，不过的确稍微再努一把力，就进入中国了。
在密林中的这个寒冷的夜晚，加上之前的瞬间大过载和从山坡上滚落的过程，让指令长瓦西里受了比较重的伤。
而工程师马克洛夫则比较快速地恢复了健康，并且在随后的上世纪70年代和80年代，接连乘坐联盟-26号、联盟-27号和联盟T-3号载人飞船，又执行了3次太空任务。
上图苏联发行的纪念邮票，最左侧那个宇航员就是马卡洛夫。
1975年的4月5日事件，表明，联盟飞船即使是在抛掉逃逸塔之后，依然能够依靠提前再入的方式，为宇航员提供安全保障。
2018年10月份的这次紧急返回，并未使用逃逸塔进行紧急升空，而是在高空做的飞船应急半弹道式再入，因此1983年的那次事故，至今仍然是人类唯一一次在实际载人飞行中使用逃逸塔逃生。
为了让大家更加直观地看出发射天宫一号目标飞行器和发射神舟系列载人飞船的中国长征2F系列运载火箭的区别，小火箭专门制作了上图。
（点击上面的图片可查看大图）
中国的长征2F载人运载火箭同样采用了逃逸塔系统。
影响
2011年那个炎热的夏日里，航天飞机全部退役，温柔地迈入了历史的良宵。
从那时起，直到今日，放眼全球，能够将人类送入太空的国家，只剩下俄罗斯和中国了。要想让国际空间站继续维持在太空的长期有人值守作业，美国宇航局必须和俄罗斯的联盟飞船或者中国的神舟飞船进行合作。
美国人选择了依然和俄罗斯人合作。
正值俄罗斯与哈萨克斯坦就拜科努尔发射场的运营问题谈判的时候。执着的俄罗斯人一咬牙，与哈萨克斯坦签署了一个为期50年的租借合同，把拜科努尔发射场续租了下来，每年的租金高达1.15亿美元！
作为当时俄罗斯仅有能够将宇航员发射到国际空间站上的基地，这实属无奈之举。
背负这样的租金，而且手里握有准垄断资源的俄罗斯，对美国宇航局的发射报价拥有至高无上的定价权。
小火箭此时仿佛听到了刀砍砧板和镰割麦子的声音。
上图是我根据小火箭数据库的统计，制作的俄罗斯联盟飞船对美国宇航局的报价。
单名宇航员（1个座位）的报价，从2007年的不到2500万美元，在2012年也就是美国航天飞机退役后的1年，翻番了，飙升为5000万美元。到了今年（2018年），这报价已经在上探8000万美元了！
嗯，涨成了十年前的3.2倍。
马克·吐温老爷子在他的成名作《汤姆·索亚历险记》里面，有过这样的说法：
“人类的行为有这么一个法则：那就是，为了要使一个大人或小孩极想干某样事情，只需要设法把那件事情弄得不易到手就行了。”
不知酷爱阅读的俄罗斯人有没有读过这段话，不过他们的确是这样做的。联盟飞船的价格连年飞涨，但是美国对俄罗斯飞船的依赖程度却又与日俱增。
联盟飞船内的凝视：2014年9月11日，一名宇航员从联盟TMA-12M飞船的舱内向外凝视。
这窘迫狭小的空间，容纳的却是人类往返天地间的伟大梦想。
也就是在这一年，NASA终于下定了决心，给了波音公司42亿美元的意向订单，同时也给了SpaceX公司26亿美元的意向订单。
NASA要求这两家公司各自拿出一款足够可靠的、足够经济的载人飞船。
SpaceX的货运版和载人版龙飞船，小火箭已经在去年《龙飞船：第一艘私人公司研发的宇宙飞船》和《厉害！龙飞船复活美国尘封多年太空圣地》还有《啥？龙飞船与空间站对接要靠麒麟臂？！》等系列文章中进行了详细分析。
在交待完毕波音公司的载人飞船项目的背景之后，我们接下来就看看NASA这42亿美元（小火箭联合会美国分部查证，已经落实的金额为6.209亿美元）和波音这家老牌儿军火巨头的技术基因的融合之下，将会诞生一款怎样的飞船吧！
上图是小火箭前一段时间跨过大洋去拜会波音好友时在他们的地盘儿拍摄的照片。摄影：邢强，于2017年。
有别于其他第三方做的概念图，这是波音公司官方对星际客机StarLiner的展示，体现出了很多细节。
我们可以从地球的大小和视线的角度反推出场景描绘的是星际客机正飞行在400公里的空间站轨道上，其顶部用于和国际空间站对接的接口赫然在目，这正体现了该飞船未来的主要用途。
虽然2018年10月的这次联盟飞船应急返回后，初步的医学检查的结果是两位宇航员都没有受到明显的伤害，但是，在他们被送到莫斯科做进一步检查的同时，俄罗斯宇航局发布的消息：
将会对联盟号运载火箭进行彻底地检查，在最终结果出来，暂停联盟号运载火箭和联盟号载人飞船的一切载人活动。这意味着，原本在今年（2018年）12月20日的运送宇航员的计划在很大概率上要受到影响，甚至会推迟到明年。
这同时意味着，在小火箭好友们读到本文的时候一直到2019年，中国成为了世界上唯一具备现实可用的载人运载能力的国家。如果此时想要一场说走就走的太空飞行，或者国际空间站上的宇航员需要紧急返回地球的话，就需要中国的神舟系列载人飞船了。
在2011年美国的航天飞机正式退役后，拥有载人能力的国家数量一直在做减法，由俄、美、中三国减为俄中两国，如今又暂时减为中国一国。小火箭希望俄罗斯方面能够尽快找到问题来源，恢复载人能力。
国际空间站目前缺乏能够运送宇航员进行天地往返的载具，那么，SpaceX的载人版龙飞船和波音的星际客机计划，在此次联盟飞船的事情之后，会得到加速发展的极佳契机。
未来
小火箭认为，未来的逃逸系统，将会出现逃逸塔和飞船自主起飞两种技术流派并存的局面。
以上视频为SpaceX公司的载人版龙飞船做的逃逸试验。
载人版龙飞船的姿轨控发动机拥有较强的推力，能够支持自主快速起飞。该项目已经得到了美国宇航局NASA的专项经费的资助。
依靠自身动力起飞的逃逸技术，能够比较有效地减少死重，在确保宇航员人生安全的前提下，提升火箭的运载能力。
而传统的逃逸塔技术，仍会存在。
承载着美国官方重返月球重任的猎户座载人飞船，依然使用逃逸塔技术。
上图为2010年5月6日，在白沙导弹靶场，猎户座飞船的逃逸系统正在进行点火飞行测试的场景。
开伞成功的猎户座飞船正在缓缓飘向地面。
全文结束。
用拜伦的几句诗篇向宇航员和所有奋斗在人类太空探索第一线的工程师致敬：
看！
刀剑，军旗，辽阔的战场！
荣誉和希腊，
就在我周身！
那由盾牌抬回的斯巴达人，
何曾有过这种驰骋！
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