同样,载人航天器(包括飞船、空间站和航天飞机)作为航天员在宇宙空间工作和生活的“太空之家”也离不开门。没有门,航天器的生命保障系统就无法正常发挥作用,密封舱就形不成和地球相似的生态环境,航天员也就难以生存。所以说,载人航天器的门比我们生活中的门更为重要。它是航天员的“生命之门”。
舱门引发的灾难
载人航天器的门通常称之为舱门,它是供航天员出入或者操作人员安装仪器的部分,火箭发射前用螺栓或构件连接到舱体上,达到确保航天器密封的目的。
舱门有外舱门和内舱门之分。外舱门用于让人员出入航天器,好比一个家庭的大门;内舱门用于人员进出各个舱段,好比家庭里每个房间的门。日常生活中的房门多数为长方形,载人航天器的舱门则多种多样:苏联/俄罗斯的东方号、上升号、联盟号飞船,以及中国神舟号飞船的舱门都是圆形的;美国的水星、双子星座飞船的舱门是梯形的;阿波罗飞船指挥舱舱门也为梯形,登月舱舱门为方形;航天飞机轨道器乘员舱舱门为不规则圆形;国际空间站上的舱门既有方形也有圆形。
不管是外舱门还是内舱门,也不管是圆形的还是方形的,或者其他形状,舱门的技术要求、安全要求都很高,甚至高到苛刻的程度。一般的房门只要关得严、打得开就基本满足使用要求,舱门的要求却远不止于此,它非任何房门可比。
首先,它的大小必须合适,要满足身着航天服的航天员进出自如。尺寸过大,航天员和工作人员进出虽然方便,舱门结构却不易做得坚实牢固;尺寸过小,舱门倒是结实了,又不利于航天员和工作人员的进出。所以,舱门必须满足航天员进出,成为美国对航天飞机气闸舱舱门设计的第一条要求。
其次是对密封性和可靠性要求极严。几乎所有航天员工作和生活的座舱都是密封舱,里面要充入维持生命的气体,如果密封性能不好,航天员的生命就将失去保障,所以仅像屋门那样做到严丝合缝远远不够。为此,美国航天飞机气闸舱的舱门采用了双重密封形式,即舱门和气闸舱的结构上都设计了一道密封圈,两道密封圈之间还装有一种能够快速堵塞泄气的装置。有的载人航天器还采用了多道舱门,例如阿波罗飞船指挥舱的舱门就有三道之多。
再次是要耐高温、耐低温、抗震动,还要有足够的强度。舱门的结构形式有半硬壳式、整体壁板式、蜂窝夹层式,材料大多采用可焊性较高的铝合金。
舱门是一个非常精密的重要部件,虽然它的体积和重量与整个飞船相比算不上大,可是一旦出现故障,后果非常严重,人类第一次太空飞行就险些断送在舱门上。当年,苏联航天员加加林进入东方一号飞船前,控制中心突然发现飞船舱门的遥控按钮出了故障,如果不马上排除,飞船一旦在返回地球时突发紧急情况,加加林有可能打不开舱门及时逃生,于是30多个工作人员以最快的速度拧下了舱门上的32个螺丝,才排除了故障,恢复了舱门的正常状态。
事隔三个多月后,美国的载人飞船发生了一起更严重的舱门事故,一名航天员差点儿葬身洋底。
1961年7月21日,美国发射了自由钟7号水星飞船,航天员弗吉尔·格里索姆按计划飞行了15分37秒,完成了美国的第二次亚轨道飞行,随后他操纵飞船返回地球,溅落在大西洋里。眼看飞行就要画上成功的句号,格里索姆怀着喜悦的心情解开身上的安全带,完成了最后检查,又装好了开启舱门用的爆炸螺栓。谁知,正当他准备启动舱门的按钮时,舱门随着一声低沉的爆炸提前自动炸开了,海水汹涌地灌进飞船,格里索姆被迫钻出飞船,才逃过灭顶之灾。可是,因为来不及关闭氧气阀,他的航天服灌满了水,不仅当不成救生筏,还拖着格里索姆直往下沉,使他灌饱了海水,差点儿淹死。五分钟后,格里索姆才被回收直升机从水里救起,他对回收人员说:“我的鼻子灌满了水。”
阿波罗17号飞船登月舱,方形舱门位于正面中部的下方
航天员利用中性浮力模拟器训练打开国际空间站的舱门
阿波罗11号飞船的指令舱被回收舰打捞到甲板上,舱门经过往返月球的远程飞行后完好无损
双子星座8号飞船返回地面,两扇梯形舱门已打开自由钟7号飞船就没这么幸运了,直升机没能拖住这艘价值200万美元的飞船,只好任其沉入5000多米深的洋底,直到1999年7月21日才被打捞出水重见天日,只可惜没找到那扇差点儿让格里索姆送命的飞船舱门。
事后,格里索姆坚持认为事故是因舱门错误点火所致。面对试图找出故障原因的美国宇航局官员,他只有一个解释:“我还没做任何事,那个该死的东西就爆炸了。”最后查明,事故是舱门作动器电器与着陆系统电路发生短路造成的。
这次意外让格里索姆非常恼火,并留下了可怕的回忆。四年后他参加了双子星座计划的第一次载人飞行,并担任双子星座3号的指令长,飞行前他给飞船取了一个吉利名字“玛丽·布朗”,这是泰坦尼克号沉船事故中的一名幸存者,有“不沉者”之称。可当飞船在洋面上溅落时,格里索姆被回收部队救上船后突然产生了晕船反应,因为他又想起了上次溅落时恐怖的一幕。
格里索姆虽然在自由钟7号的舱门事故中死里逃生,躲过一劫,可似乎命中注定他还要在舱门上出事,甚至倒大霉。五年半后,他在阿波罗4A号飞船事故中不幸遇难。两次水火无情的灾难都让可怜的格里索姆赶上了。
自由钟7号舱门事故让飞船设计师们意识到舱门不可靠的危害,于是立即进行了改进。水星飞船的舱门原来装有爆炸装置,目的是遇到紧急情况时航天员可以尽快逃生。经过改进,后来的双子星座和阿波罗飞船都不再使用这种舱门,当时设计师们主要考虑确保舱门不像自由钟7号那样意外打开,却忽略了另一个关键问题,那就是舱门还必须保证能尽快打开。正是这个忽略,后来放大了一幕震惊世界的航天悲剧。
1967年1月27日,阿波罗4A号飞船在肯尼迪航天中心进行地面试验时突然烧起大火。5分27秒后,人们好不容易扑灭了火灾,打开了飞船的三道舱门,里面的情景让人触目惊心:指令长格里索姆仰面躺在飞船的地板上,他的大腿被火烧坏了;爱德华·怀特横躺在舱门下面,罗杰·查菲躺在自己的座位上。三名航天员全都因窒息而死,他们在航天服失效后15至30秒内失去了知觉。
检查发现号航天飞机乘员舱的舱门,舱门表面粘贴了耐高温的防热瓦
航天员格里索姆(中)在查看双子星座飞船
航天飞机气闸舱的舱门这起灾难事故让飞船设计师们追悔莫及。怀特留在舱门上那沾满灰烬的手印,说明他在生命的最后时刻仍在企图打开舱门,然而舱门却无情地关闭了他们的逃生通道。假如自由钟7号事故后,飞船舱门的解锁装置没有改进,阿波罗飞船仍然装有那种爆炸装置的话,航天员就可能在大火烧起来的时候及时打开舱门,飞船内的纯氧遇到空气后就会马上消散,火势也会随之减小,三名航天员也许会受到一些惊吓,格里索姆也可能烧伤大腿,却不至于命丧黄泉。没想到这种改进帮了“倒忙”,面对用六只螺栓固定的飞船舱门,航天员只有在火灾中束手待毙的命运了。
对舱门严慎细实
这些有惊无险和有惊有险的事故,甚至是血的教训,无异于在舱门上敲响了一次次警钟,引起了各国航天员对舱门的高度重视。
1969年10月,苏联联盟8号飞船的航天员沙塔洛夫在检查舱门时,由于拧紧阀门超过了规定限度,阀门上一个杆件的焊缝开裂了。尽管门锁状态正常,舱门也关得很紧,而且离起飞时间只剩不到一个小时,他还是按照规定报告了情况。工程师马上赶来检查了舱门,最后确认问题不影响发射。经过这个波折,沙塔洛夫再关舱门时变得小心翼翼。
在舱门的设计、制造和试验方面,工程技术人员更是精益求精、严慎细实。阿波罗4A号飞船悲剧之后,设计师们纠正了飞船舱门的不合理性,新设计的舱门同样不带爆炸装置,却能在三秒钟内迅速打开。为了验证舱门迅速向外打开的性能,还专门在阿波罗4B飞船的三项飞行试验任务中安排了一项试验。在航天飞机研制中,气闸舱舱门的设计也有专门要求,包括既能耐受高压负荷,又不能过于笨重导致操作不便;开关和控制装置应该让穿着航天服的航天员用手方便地操作和使用;在紧急状态下也能关上,一旦被卡住,能够用手强行打开,力量不超过441牛;插销失灵时,应有打开舱门的应急措施;当一名航天员受伤或生病时,另一名身着航天服的航天员能将其营救出来等。
1990年7月17日,苏联航天员阿纳托利·索洛维约夫和亚历山大·巴兰金准备通过和平号空间站的量子2号实验舱到舱外维修受损的防热层。按规定,开启舱门时要先打开 1毫米的缝隙,并且用挂钩固定住,以便舱内空气流出;只有当压力下降到0时,舱门才能完全打开。可是没等压力下降到0,他们就提前摘下了挂钩,结果舱门强力弹开,高达400千克的弹力导致舱门铰链变形,舱门无法关严。几天后,两名航天员进行了三个半小时的舱外作业终于修复了铰链,关严了舱门。
为了保证神舟飞船返回舱和轨道舱之间的圆形舱门密封绝对可靠,中国的航天科研人员绘制了100多张图纸,设计了六把联动杆锁;舱门还加装了双道密封圈,并设计了舱门快速检漏仪,提高了检测密封圈有无泄漏的速度。
经过中外航天科技人员几十年的不懈努力,载人航天器舱门的设计越来越完善,可靠性不断提高,它将一切隐患拒之门外,永远对航天员敞开“幸福之门”“凯旋之门”。★
责任编辑:薛滔
航天员在检查联盟号飞船的舱门
工作人员在检查火灾后阿波罗4A飞船的舱门