更新时间:2013-11-30
碎平 • 蓝烟火:与本片有关的太空救援技术历史背景
对于多乘员空间站的需要为设计者提供了开发多人再入与救援飞行器，从而当在这种空间复合体上发生紧急情况时使用，的机会。这些救援系统中既有在轨生存系统也有地面发射救援系统，其中一些被结合进了操作性的空间站概念中，其他的，像计划早期被提出的人员救援系统，几乎没有离开过制图板。类似升力体概念的空间救援系统设计研究自20世纪60年代以来就一直是原型，并在1968年的电影《蓝烟火（Marooned）》中占据了重要位置，而且一直在被研究，直到最近被提出在国际空间站上扩大了乘员操作之后进行实现。
从FIRST到X-38
使用升力体空天飞机的概念开展救援和回收的工作已经持续进行了近50年。在20世纪60年代早期，喷气飞机（Aerojet）公司看中了原本为回收双子星座号航天器提出的罗格里奥机翼（Rogelio wing）概念，想将其作为自己的空间救援的翼型，称为FIRST。自那以后，出现了一些升力体的概念，但一个接一个都主要因为资金原因而被放弃了。
FIRST——试验用可充气再入结构制造（fabrication of inflatable re-entry structures for test）。这个1960年的设计存储在一个圆柱形的包裹里，并附着在空间站的外表面上。在紧急情况下，宇航员将飘入棺材大小的圆柱形中心舱室内，密封舱门并将单元吹出空间站。一个滑翔伞，由弹性硅树脂基质填充超细超级合金丝织物的材料制成，将被展开并充气。然后乘员将能够使用一个气体稳定与控制系统来为制动点火对装置进行定向，并需要在再入过程中是装置保持正确的姿态。据估计，制动发动机将在空间站的建议高度600千米处点火，该装置将在26分钟之后重新进入大气。0.5的升阻比和70°的再入角意味着将能够在加速度不超过2.0时进行自动或人工的部分控制。其长度为6.5米，最大直径0.71米，重407千克。该装置给出的最大翼展为2.75米。借助亚声速时的升阻比，将能够在345千米的范围内机动，以到达合适的着陆点。驾驶员将使装置进行机动以到达任何可能的平坦区域，并以55km/h的速度着陆。但如果恰好在着陆前进行了一次点火，那么其水平速度将被降到9km/h。如果再入之后滑翔伞发生故障，乘员能够分离太空舱，在到达9000米的高度时，该装置将被吹开，从而可以使用人员回收伞降落。
LREE——升力式再入（lifting re-entry）。这个设计是1960年通用电气公司提出的三人升力式再入舱。其长度为5.17米，翼展3.96米，重1303千克，具有烧蚀性表面和回收伞。
REES——再入逃生系统（Re-Entry Escape System）。这是一个小型升力体再入舱的备选设计，由ASC公司在1963年为单一乘员设计。其长度为6.82米，翼展4.7米，重1171千克。
SOREEV——这是滑翔伞逃生系统的放大版，能够援救最多6名宇航员，由喷气飞机公司提出。其长度为8.45米，翼展13.0米，重3514千克。它能够为乘员提供24小时的氧气供给，但必须在离开空间站（或其他先进航天器）之后的一天之内进行着陆。
LBEC——升力体逃生方案（lifting body escape concept）。这是NASA针对航天飞机无法对接的情况，为空间站的紧急回收提出的解决方案。在一些情况下，一名成员将能够在等待来自航天飞机的救援时利用空间站作为安全港，但挑战者号事故表明这一点并不总是值得依赖。在与俄罗斯人合作之前，一种替代设计被开发出来为空间站提供足够的乘员援救能力，最终发展成了20世纪80年代后期的自由配置。各种设计都被进行了研究，如空间站乘员备用舱（Station Crew Return Alternative Module，SCRAM），它是一种六人快速返回舱，将会使乘员承受高加速度的负载，而且其费用超过6亿美元。还有一种MOSES（载人轨道航天飞机逃生系统，Manned Orbital Shuttle Escape System），是在美国空军发现号可回收军事卫星的经验基础上为航天飞机设计的；它需要使用压力服，能够容纳1~4名乘员（重730千克~2320千克）。这种经过验证的硬件是由通用电气公司设计，为空间站进行了改造。另一种为空间站考虑的设计，ACRV，甚至利用了来自“阿波罗”计划中翻新和全新的“阿波罗”指令舱，以及HL-20和X-38升力体飞行器。
HL-20。并不是预算20亿美元的版本，这种来自兰利研究中心的NASA飞行器大致上以前苏联BOR-4空天飞机，被用于支持暴风雪号航天飞机计划的开发，的设计为基础。 根据设计，它能够运送8名乘员，一些设计还幻想了一种人员发射系统——通过改造过的“土星”IV火箭将一种迷你航天飞机发射进轨道。然而，其主要目的是作为一种潜在的空间站救援飞行器。它承担了大量的研究和试验，包括评估了10名志愿者在水平和垂直姿态的实物模型中的试验。这清晰的演示了它在快速再入和发生紧急情况时的优势，虽然穿着局部压力服在某种程度上限制了活动范围。这种飞行器的设计寿命是独立于空间站在轨道上运行3天。其长度为8.93米，翼展7.16米，重10884千克。虽然开销过大而导致其被取消，但它确实提供了关于这类概念以及后续X-38设计的有用信息。这种飞行器可以搭载两名机组乘员和8名人员，其特点是能够进行人工驾驶着陆和在飞机场的滑跑，这提供了比之前的设计更为舒适的着陆。开发一种发射能力的选择提供了地基和在轨的存储能力，但最终是其过高的成本决定了它的命运。
X-38。较新的、用于空间站乘员救援和紧急情况的空天飞机/升力体概念是基于以前的升力体技术和设计、由轨道科学公司（Orbital Sciences）生产的一个NASA计划。这一设计的特点是不确定的轨道存储能力（据称可达4000天），以及仅有9小时的独立设计寿命。它能够运送6名乘员，将被留下与空间站保持对接，直到需要时，它会作为乘员返回飞行器（Crew Return Vehicle），然后使用低温氮气进行姿态控制。由于其具有1300千米的横程，它每两个小时或绕地球三圈（最多六圈）就有机会着陆。应该指出的是，这一设计并不具有机载乘员控制功能，因为它是一个用于飞机场的全自动着陆系统。再入之后，减速伞将被展开，然后将展开一个可转向的冲压空气翼伞。其长度为8.69米，翼展4.42米，重8163千克。始于1995年的开发是对最初关于俄罗斯联盟号飞船为国际空间站提供足够的乘员援救能力的有效性和可靠性的质疑的回应。在20世纪90年代的大部分时间内，利用NASA/美国空军联合设计的模型（被称为楔子（Wedge））完成了旨在为X-38演示机验证概念的设计配置试验。在阶段I总共完成了36次飞行，测试了太空楔的四种模型；1992年至1996年间，阶段II完成了45次飞行，阶段III完成了34次飞行；从这些试验中获得的经验被应用到了X-38的设计中。利用现有的技术和材料，开发成本要比开发一个全新的飞行器低得多。两年内，将在三架试验飞行器上完成大气坠落试验。无人静态试验开始于1997年7月。1998年3月12日X-38进行了第一次坠落试验，取得了成功。根据计划，将于2000年从哥伦比亚号航天飞机上部署一架无人驾驶试验飞行器，并对其进行自动着陆地面的编程，但这被不断地推迟了。1999年的第二次坠落试验之后，这一计划由于2002年的预算限制被取消了，仅仅完成了两次试验飞行（Miller，2001，378-383页）。
太空舱救援选项
很多年以来，人们都在考虑将经过验证的太空舱设计改造成空间站乘员救援飞行器，结果，乘员逃生的选择就是这样发展的。
从“阿波罗”应用计划的早期研究到运行的天空实验室系列，飞行乘员将通过“阿波罗”指令与服务舱被发射到轨道工作站，并使用它从之返回。在空间站上在轨运行的30~60天内，指令与服务舱将与空间站保持连接。在美国空军载人轨道实验室的研究中，两位美国空军乘员将在去往和离开轨道式乘坐经过改造的双子星座号航天器，它也同样将在30天的任务期间与实验室保持连接。在1971-1986年的礼炮号和钻石号空间站任务及1986年至2000的和平号计划中，前苏联联盟号飞船的使用同样清楚的演示了如何（通过旋转联盟号的货运飞船）进行乘员交换和任务在轨寿命的延长，使得每3~6个月都能提供一架新的飞行器，从而提供了一种在紧急情况下快速离开空间站的能力。前苏联人通过使人员座椅能够在不同航天器之间互换，解决了由于身材不一而难以保证每位宇航员安全的问题。
麦克唐纳•道格拉斯公司提出了一个使用大力神IIIC发射的放大版的双子星座号方案，它能够运送5名乘员，并有潜力从在轨空间站上回收被困的宇航员。双子星座号再入舱的直径将被增加到3.05米，从而为大号的双子星座号的设计、及其对月球上被困乘员的潜在救援能力提供基线。过高的开发费用以及对于转而开展“阿波罗”任务的渴望使得这些设计只能停留在图纸上而不能走的更远（Shayler，2001a）。
在天空空间站设计期间，NASA开发了一种套件来装备“阿波罗”指令舱，从而使其能够搭载两名乘员发射，并对接到工作站的第二个副对接口上，以救援被困的3名宇航员，然后运送这5名宇航员返回地球。在空间站第二次载人活动期间，当已和指令与服务舱对接的乘员发现服务舱的反作用控制发动机发生了泄露时，差一点就采取了上述措施。而当这个问题被通过其他方法解决之后，就不再需要进行救援任务和发射了，但在天空实验室剩余的计划中，这一选项都是可用的。该系统依赖于正常的（或加速的）发射进程中下一架飞行器已经就绪。因此，天空实验室2（第一次载人任务）的救援航天器是SL3飞船，天空实验室3将使用SL4。类似的，天空实验室4依靠的是作为其救援飞船的图像IB和指令与服务舱已为“阿波罗-联盟”试验计划（Apollo–Soyuz Test Project，ASTP）做好了准备（Shayler，2001b）。
为“阿波罗”指令与服务舱添加座椅的想法并不新鲜。在20世纪60年代，进行了对第三代“阿波罗”指令与服务舱（Apollo CSM Block III）的研究，以支持空间站并在“阿波罗”应用计划下扩展月面计划。格鲁门公司甚至进行了在地球轨道使用带有遥控机械手系统的救援用月球舱的研究。同样，这些研究的进展并没有超出纸面提案的范围（Shayler，2002）。
为了进行航天飞机救援能力的研究，罗克韦尔公司于20世纪70年代重新提出了六人的“阿波罗”指令舱逃生方案，其特点是捆绑在微博防热罩上的附加固体火箭推进器（与水星号中的制动推进器设计类似）。在用于空间站的可靠乘员救援飞行器研究中，这一想法再一次得到了审视。
当20世纪90年代的合作性交流时的俄罗斯将要加入国际空间站时，人们渐渐清楚地认识到，历史悠久的联盟号飞船是现有飞行器中最适于乘员救援任务的（至少在国际空间站计划早期的几个阶段），它在过去的20年里一直在前苏联国家空间站计划中充当着类似的角色。当时正在运行的联盟号TM衍生型被进行了一些修改，从而得到了TMA版本，以适应早期居留乘员训练中体型更大的美国宇航员。这一方案得到了采用，而不是计划用于和平号2，被称为曙光号，的放大版联盟号飞船设计。1995年的研究评估了基于曙光号的一种国际空间站回收飞船，它有一个固体制动火箭发动机和若干冷气推进器，最多能在空间站上储存5年。它能够回收8名乘员。这种基于曙光号的空间“救生船”重12500千克，长7.20米，最大直径为3.70米。它将通过航天飞机杯送到空间站上，但其独立寿命仅为24小时。1996年，为了支持短期的联盟号TMA飞船设计和长期的（至少持续了一段时间）X-38项目，这些设计方案都被拒绝了。虽然联盟号TMA飞船现在是国际空间站的乘员返回飞船（CRV），但在俄罗斯，对曙光号设计作为联盟号飞船后继者的研究仍在继续；同时，与欧洲空间局在2010年航天飞机退役后国际空间站（或其他空间站的）独立乘员空间飞行器上开展合作（Hall和Shayler，2003年）。
从FIRST到X-38
使用升力体空天飞机的概念开展救援和回收的工作已经持续进行了近50年。在20世纪60年代早期，喷气飞机（Aerojet）公司看中了原本为回收双子星座号航天器提出的罗格里奥机翼（Rogelio wing）概念，想将其作为自己的空间救援的翼型，称为FIRST。自那以后，出现了一些升力体的概念，但一个接一个都主要因为资金原因而被放弃了。
FIRST——试验用可充气再入结构制造（fabrication of inflatable re-entry structures for test）。这个1960年的设计存储在一个圆柱形的包裹里，并附着在空间站的外表面上。在紧急情况下，宇航员将飘入棺材大小的圆柱形中心舱室内，密封舱门并将单元吹出空间站。一个滑翔伞，由弹性硅树脂基质填充超细超级合金丝织物的材料制成，将被展开并充气。然后乘员将能够使用一个气体稳定与控制系统来为制动点火对装置进行定向，并需要在再入过程中是装置保持正确的姿态。据估计，制动发动机将在空间站的建议高度600千米处点火，该装置将在26分钟之后重新进入大气。0.5的升阻比和70°的再入角意味着将能够在加速度不超过2.0时进行自动或人工的部分控制。其长度为6.5米，最大直径0.71米，重407千克。该装置给出的最大翼展为2.75米。借助亚声速时的升阻比，将能够在345千米的范围内机动，以到达合适的着陆点。驾驶员将使装置进行机动以到达任何可能的平坦区域，并以55km/h的速度着陆。但如果恰好在着陆前进行了一次点火，那么其水平速度将被降到9km/h。如果再入之后滑翔伞发生故障，乘员能够分离太空舱，在到达9000米的高度时，该装置将被吹开，从而可以使用人员回收伞降落。
LREE——升力式再入（lifting re-entry）。这个设计是1960年通用电气公司提出的三人升力式再入舱。其长度为5.17米，翼展3.96米，重1303千克，具有烧蚀性表面和回收伞。
REES——再入逃生系统（Re-Entry Escape System）。这是一个小型升力体再入舱的备选设计，由ASC公司在1963年为单一乘员设计。其长度为6.82米，翼展4.7米，重1171千克。
SOREEV——这是滑翔伞逃生系统的放大版，能够援救最多6名宇航员，由喷气飞机公司提出。其长度为8.45米，翼展13.0米，重3514千克。它能够为乘员提供24小时的氧气供给，但必须在离开空间站（或其他先进航天器）之后的一天之内进行着陆。
LBEC——升力体逃生方案（lifting body escape concept）。这是NASA针对航天飞机无法对接的情况，为空间站的紧急回收提出的解决方案。在一些情况下，一名成员将能够在等待来自航天飞机的救援时利用空间站作为安全港，但挑战者号事故表明这一点并不总是值得依赖。在与俄罗斯人合作之前，一种替代设计被开发出来为空间站提供足够的乘员援救能力，最终发展成了20世纪80年代后期的自由配置。各种设计都被进行了研究，如空间站乘员备用舱（Station Crew Return Alternative Module，SCRAM），它是一种六人快速返回舱，将会使乘员承受高加速度的负载，而且其费用超过6亿美元。还有一种MOSES（载人轨道航天飞机逃生系统，Manned Orbital Shuttle Escape System），是在美国空军发现号可回收军事卫星的经验基础上为航天飞机设计的；它需要使用压力服，能够容纳1~4名乘员（重730千克~2320千克）。这种经过验证的硬件是由通用电气公司设计，为空间站进行了改造。另一种为空间站考虑的设计，ACRV，甚至利用了来自“阿波罗”计划中翻新和全新的“阿波罗”指令舱，以及HL-20和X-38升力体飞行器。
HL-20。并不是预算20亿美元的版本，这种来自兰利研究中心的NASA飞行器大致上以前苏联BOR-4空天飞机，被用于支持暴风雪号航天飞机计划的开发，的设计为基础。 根据设计，它能够运送8名乘员，一些设计还幻想了一种人员发射系统——通过改造过的“土星”IV火箭将一种迷你航天飞机发射进轨道。然而，其主要目的是作为一种潜在的空间站救援飞行器。它承担了大量的研究和试验，包括评估了10名志愿者在水平和垂直姿态的实物模型中的试验。这清晰的演示了它在快速再入和发生紧急情况时的优势，虽然穿着局部压力服在某种程度上限制了活动范围。这种飞行器的设计寿命是独立于空间站在轨道上运行3天。其长度为8.93米，翼展7.16米，重10884千克。虽然开销过大而导致其被取消，但它确实提供了关于这类概念以及后续X-38设计的有用信息。这种飞行器可以搭载两名机组乘员和8名人员，其特点是能够进行人工驾驶着陆和在飞机场的滑跑，这提供了比之前的设计更为舒适的着陆。开发一种发射能力的选择提供了地基和在轨的存储能力，但最终是其过高的成本决定了它的命运。
X-38。较新的、用于空间站乘员救援和紧急情况的空天飞机/升力体概念是基于以前的升力体技术和设计、由轨道科学公司（Orbital Sciences）生产的一个NASA计划。这一设计的特点是不确定的轨道存储能力（据称可达4000天），以及仅有9小时的独立设计寿命。它能够运送6名乘员，将被留下与空间站保持对接，直到需要时，它会作为乘员返回飞行器（Crew Return Vehicle），然后使用低温氮气进行姿态控制。由于其具有1300千米的横程，它每两个小时或绕地球三圈（最多六圈）就有机会着陆。应该指出的是，这一设计并不具有机载乘员控制功能，因为它是一个用于飞机场的全自动着陆系统。再入之后，减速伞将被展开，然后将展开一个可转向的冲压空气翼伞。其长度为8.69米，翼展4.42米，重8163千克。始于1995年的开发是对最初关于俄罗斯联盟号飞船为国际空间站提供足够的乘员援救能力的有效性和可靠性的质疑的回应。在20世纪90年代的大部分时间内，利用NASA/美国空军联合设计的模型（被称为楔子（Wedge））完成了旨在为X-38演示机验证概念的设计配置试验。在阶段I总共完成了36次飞行，测试了太空楔的四种模型；1992年至1996年间，阶段II完成了45次飞行，阶段III完成了34次飞行；从这些试验中获得的经验被应用到了X-38的设计中。利用现有的技术和材料，开发成本要比开发一个全新的飞行器低得多。两年内，将在三架试验飞行器上完成大气坠落试验。无人静态试验开始于1997年7月。1998年3月12日X-38进行了第一次坠落试验，取得了成功。根据计划，将于2000年从哥伦比亚号航天飞机上部署一架无人驾驶试验飞行器，并对其进行自动着陆地面的编程，但这被不断地推迟了。1999年的第二次坠落试验之后，这一计划由于2002年的预算限制被取消了，仅仅完成了两次试验飞行（Miller，2001，378-383页）。
太空舱救援选项
很多年以来，人们都在考虑将经过验证的太空舱设计改造成空间站乘员救援飞行器，结果，乘员逃生的选择就是这样发展的。
从“阿波罗”应用计划的早期研究到运行的天空实验室系列，飞行乘员将通过“阿波罗”指令与服务舱被发射到轨道工作站，并使用它从之返回。在空间站上在轨运行的30~60天内，指令与服务舱将与空间站保持连接。在美国空军载人轨道实验室的研究中，两位美国空军乘员将在去往和离开轨道式乘坐经过改造的双子星座号航天器，它也同样将在30天的任务期间与实验室保持连接。在1971-1986年的礼炮号和钻石号空间站任务及1986年至2000的和平号计划中，前苏联联盟号飞船的使用同样清楚的演示了如何（通过旋转联盟号的货运飞船）进行乘员交换和任务在轨寿命的延长，使得每3~6个月都能提供一架新的飞行器，从而提供了一种在紧急情况下快速离开空间站的能力。前苏联人通过使人员座椅能够在不同航天器之间互换，解决了由于身材不一而难以保证每位宇航员安全的问题。
麦克唐纳•道格拉斯公司提出了一个使用大力神IIIC发射的放大版的双子星座号方案，它能够运送5名乘员，并有潜力从在轨空间站上回收被困的宇航员。双子星座号再入舱的直径将被增加到3.05米，从而为大号的双子星座号的设计、及其对月球上被困乘员的潜在救援能力提供基线。过高的开发费用以及对于转而开展“阿波罗”任务的渴望使得这些设计只能停留在图纸上而不能走的更远（Shayler，2001a）。
在天空空间站设计期间，NASA开发了一种套件来装备“阿波罗”指令舱，从而使其能够搭载两名乘员发射，并对接到工作站的第二个副对接口上，以救援被困的3名宇航员，然后运送这5名宇航员返回地球。在空间站第二次载人活动期间，当已和指令与服务舱对接的乘员发现服务舱的反作用控制发动机发生了泄露时，差一点就采取了上述措施。而当这个问题被通过其他方法解决之后，就不再需要进行救援任务和发射了，但在天空实验室剩余的计划中，这一选项都是可用的。该系统依赖于正常的（或加速的）发射进程中下一架飞行器已经就绪。因此，天空实验室2（第一次载人任务）的救援航天器是SL3飞船，天空实验室3将使用SL4。类似的，天空实验室4依靠的是作为其救援飞船的图像IB和指令与服务舱已为“阿波罗-联盟”试验计划（Apollo–Soyuz Test Project，ASTP）做好了准备（Shayler，2001b）。
为“阿波罗”指令与服务舱添加座椅的想法并不新鲜。在20世纪60年代，进行了对第三代“阿波罗”指令与服务舱（Apollo CSM Block III）的研究，以支持空间站并在“阿波罗”应用计划下扩展月面计划。格鲁门公司甚至进行了在地球轨道使用带有遥控机械手系统的救援用月球舱的研究。同样，这些研究的进展并没有超出纸面提案的范围（Shayler，2002）。
为了进行航天飞机救援能力的研究，罗克韦尔公司于20世纪70年代重新提出了六人的“阿波罗”指令舱逃生方案，其特点是捆绑在微博防热罩上的附加固体火箭推进器（与水星号中的制动推进器设计类似）。在用于空间站的可靠乘员救援飞行器研究中，这一想法再一次得到了审视。
当20世纪90年代的合作性交流时的俄罗斯将要加入国际空间站时，人们渐渐清楚地认识到，历史悠久的联盟号飞船是现有飞行器中最适于乘员救援任务的（至少在国际空间站计划早期的几个阶段），它在过去的20年里一直在前苏联国家空间站计划中充当着类似的角色。当时正在运行的联盟号TM衍生型被进行了一些修改，从而得到了TMA版本，以适应早期居留乘员训练中体型更大的美国宇航员。这一方案得到了采用，而不是计划用于和平号2，被称为曙光号，的放大版联盟号飞船设计。1995年的研究评估了基于曙光号的一种国际空间站回收飞船，它有一个固体制动火箭发动机和若干冷气推进器，最多能在空间站上储存5年。它能够回收8名乘员。这种基于曙光号的空间“救生船”重12500千克，长7.20米，最大直径为3.70米。它将通过航天飞机杯送到空间站上，但其独立寿命仅为24小时。1996年，为了支持短期的联盟号TMA飞船设计和长期的（至少持续了一段时间）X-38项目，这些设计方案都被拒绝了。虽然联盟号TMA飞船现在是国际空间站的乘员返回飞船（CRV），但在俄罗斯，对曙光号设计作为联盟号飞船后继者的研究仍在继续；同时，与欧洲空间局在2010年航天飞机退役后国际空间站（或其他空间站的）独立乘员空间飞行器上开展合作（Hall和Shayler，2003年）。
