美國運(yùn)載火箭失利對我國火箭研制的啟示

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 牟宇 徐利杰 秦旭東

美國運(yùn)載火箭失利對我國火箭研制的啟示

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 牟宇 徐利杰 秦旭東

運(yùn)載火箭作為復(fù)雜巨系統(tǒng)的典型代表，具有技術(shù)難度大、飛行環(huán)境惡劣、系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜等特點(diǎn)，但作為航天高價值有效載荷的運(yùn)載工具，高可靠性始終是對運(yùn)載火箭最為重要的要求。筆者通過分析Falcon、Delta 4、Taurus、Antares等美國火箭在飛行任條中出現(xiàn)的失利情況，剖析其故障機(jī)理，以期獲得它山之石可以攻玉的效果，為我國運(yùn)載火箭的研制提供借鑒。

一、美國運(yùn)載火箭失利情況剖析

1.Falcon系列火箭

（1）飛行失利情況

SpaceX公司成立初期，由于其相對缺乏成熟的宇航產(chǎn)品研制經(jīng)驗(yàn)，研制的第一型運(yùn)載火箭Falcon 1在歷經(jīng)3次飛行失利之后才獲得成功。

2006年3月24日，F(xiàn)alcon 1火箭首飛發(fā)射“獵鷹星”2號技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星失敗。調(diào)查分析結(jié)果顯示，位于燃料泵入口壓力傳感器上的鋁制B型螺母因粒間腐蝕而出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致燃料泄漏使發(fā)動機(jī)在發(fā)射34秒后停止工作。2007年3月21日，F(xiàn)alcon 1火箭的第2次發(fā)射仍然失敗。根據(jù)飛行數(shù)據(jù)分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，火箭發(fā)射過程中發(fā)生多處異常情況，包括火箭第一級軌道性能問題、第二級推進(jìn)劑利用問題、級間分離時發(fā)生碰撞問題、第二級控制問題等。2008年8月3日，在第3次發(fā)射任條中，因火箭一級發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)后的后效推力仍對火箭一子級產(chǎn)生加速作用，導(dǎo)致一、二級相撞，飛行失利。

2015年6月28日，F(xiàn)alcon 9火箭在肯尼迪航天中心的LC-40工位發(fā)射，執(zhí)行第7次國際空間站商業(yè)貨運(yùn)補(bǔ)給服條任條。火箭飛行至139秒，箭體在空中發(fā)生解體。SpaceX公司在經(jīng)過對飛行數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析后，將故障定位于二級氧箱內(nèi)一個用于固定高壓氣瓶的支架，由于其全部浸沒在密度較大的液氧中，使箭體在飛行過程中承受著逐漸增大的過載并發(fā)生斷裂，導(dǎo)致氣瓶沖撞貯箱殼體，造成高壓氦氣快速泄漏，進(jìn)入氧箱使其壓力上升，在短短的0.9秒時間之內(nèi)造成貯箱結(jié)構(gòu)破壞，并最終使得飛行失利。

（2）深層剖析

Falcon 1火箭的3次失利原因各不相同，但從中可以看出，對于剛剛成立的私營航天公司而言，其在前期火箭研制中相對缺乏研制經(jīng)驗(yàn)，在推進(jìn)劑晃動、發(fā)動機(jī)后效計算等方面表現(xiàn)出缺乏相應(yīng)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，暴露了在動力系統(tǒng)單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)、介質(zhì)相容性分析等質(zhì)量管理及風(fēng)險控制手段上尚欠火候。

Falcon 9系列火箭的連續(xù)成功表現(xiàn)出了私營商業(yè)航天公司難得的高可靠性，然而第19次發(fā)射任條的失利也再次應(yīng)證了“成功就是差一點(diǎn)的失敗”的名言，暴露了其在影響火箭飛行成敗的單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)識別上還存在漏洞，未對諸如氣瓶支架等小尺寸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性引起足夠的重視，同時也顯現(xiàn)出私營商業(yè)航天公司在追求商業(yè)利益的同時，忽視了對其產(chǎn)品可靠性的要求，針對支架內(nèi)產(chǎn)品缺乏充分的地面試驗(yàn)驗(yàn)證，造成了飛行失利。

2.Delta 4H火箭

（1）飛行失利情況

2004年12月21日，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）的Delta 4H火箭從卡納維拉爾角37號發(fā)射工位起飛，經(jīng)過5小時50分鐘的飛行后Demosat載荷成功分離，但是軌道比預(yù)計軌道要低。飛行中，雖然助推和中心主發(fā)動機(jī)均安裝了液氧耗盡關(guān)機(jī)傳感器，但都比計劃的關(guān)機(jī)時間提前了6秒。這導(dǎo)致二子級第一次點(diǎn)火的時間比預(yù)計的要長，載荷未能進(jìn)入預(yù)定軌道。

ULA在發(fā)射出現(xiàn)事故后便啟動了異常調(diào)查，最終原因確定為由于輸送管路自身的流動阻力引起了液氧輸送系統(tǒng)的汽蝕。汽蝕效應(yīng)（空泡）延伸到了發(fā)動機(jī)耗盡關(guān)機(jī)傳感器的位置，導(dǎo)致傳感器顯示貯箱中的燃料已耗盡，發(fā)動機(jī)提前關(guān)機(jī)，而事后的貯箱飛行液位數(shù)據(jù)顯示，貯箱內(nèi)還有足夠的推進(jìn)劑可完成第一階段飛行任條。

（2）故障深層剖析

ULA為了消除類似汽蝕現(xiàn)象，采取的主要措施是增加液氧貯箱壓力，抵消管路中的流動阻力。但從中也可以看出ULA在研制過程中對于影響全箭飛行可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)未能全面識別，沒有針對相應(yīng)環(huán)節(jié)開展冗余措施，提高整個系統(tǒng)的工作可靠性，并最終造成了飛行試驗(yàn)的失利。

3.Taurus火箭

（1）飛行失利情況

2011年3月4日，“榮譽(yù)號”衛(wèi)星搭乘軌道科學(xué)公司研制的四級小型固體火箭Taurus XL從范登堡空軍基地起飛。火箭起飛后前兩級工作正常，隨后遙測數(shù)據(jù)顯示三、四子級點(diǎn)火分離及衛(wèi)星分離按照預(yù)定時序進(jìn)行，但整流罩部分未脫離，最后導(dǎo)致衛(wèi)星沒有足夠速度抵達(dá)預(yù)定軌道，星箭一同落入南太平洋，飛行任條失敗。

在此之前的2009年2月，Taurus火箭采用相同直徑的整流罩執(zhí)行“嗅碳”衛(wèi)星發(fā)射任條失利，其失敗原因也是整流罩分離失敗。

2011年3月8日，NASA與軌道科學(xué)公司成立故障調(diào)查委員會，對故障原因進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果將故障最終鎖定為整流罩前端側(cè)滑軌未能分離，主要原因包括側(cè)滑軌組件對于火藥固定器失效的敏感性在發(fā)射之前并未檢測出來，火箭加速、振動、沖擊等環(huán)境的不斷變化，以及軌道科學(xué)公司整流罩制造工藝變化可能導(dǎo)致火藥固定器失效。

（2）故障深層剖析

此次飛行任條失利表面上看是軌道科學(xué)公司在生產(chǎn)過程中未嚴(yán)格按照NASA的火工品設(shè)計要求，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)生產(chǎn)材料特性和硬件尺寸的變化，最終影響火箭性能；從深層次上來看仍暴露出軌道科學(xué)公司在運(yùn)載火箭研制和產(chǎn)品生產(chǎn)過程中未能很好地平衡可靠性與發(fā)射利潤的關(guān)系，在產(chǎn)品研制過程中未能實(shí)現(xiàn)對分離裝置從產(chǎn)品生產(chǎn)、工藝實(shí)現(xiàn)、試驗(yàn)及測試的全流程質(zhì)量管控。相關(guān)問題的反復(fù)出現(xiàn)也暴露出軌道科學(xué)公司在運(yùn)載火箭研制領(lǐng)域的質(zhì)量管控手段尚顯稚嫩，未能有效抓住問題關(guān)鍵環(huán)節(jié)從而徹底解決。

4.Antares火箭

（1）飛行失利情況

2014年10月28日，軌道科學(xué)公司研制的固液混合運(yùn)載火箭Antares 130型搭載“天鵝座”飛船執(zhí)行該公司第3次國際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給任條。火箭從美國弗吉尼亞州瓦勒普斯島發(fā)射，但升空后6秒鐘后火箭失去推力墜落并發(fā)生爆炸，飛行任條失敗。

事后調(diào)查指出，火箭失敗的直接原因是安裝在一臺主發(fā)動機(jī)位置上的液氧渦輪泵爆炸，隨后毀壞了另一臺發(fā)動機(jī)。事故的根本原因定位于3個可能的技術(shù)故障：一是AJ-26液氧渦輪后軸承的設(shè)計魯棒性不充分；二是E15發(fā)動機(jī)液氧渦輪泵中存在多余物；三是液氧渦輪泵生產(chǎn)或其它工藝缺陷。

（2）故障深層剖析

在前期的發(fā)動機(jī)試車中曾經(jīng)發(fā)生了一次爆炸故障，但未能引起軌道科學(xué)公司的足夠重視，造成了后續(xù)的慘痛失利。在火箭產(chǎn)品生產(chǎn)過程中需要關(guān)注多余物的控制，圍繞單機(jī)生產(chǎn)、裝配、測試、驗(yàn)收、總裝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并結(jié)合環(huán)境、人員、設(shè)備、工藝等因素，對多余物控制措施及產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢查確認(rèn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

此外，與SpaceX公司不同，軌道科學(xué)公司在關(guān)鍵的發(fā)動機(jī)研發(fā)方面主要基于對俄羅斯NK33發(fā)動機(jī)的引進(jìn)和吸收，未能獲取其核心技術(shù)，這也造成公司在對發(fā)動機(jī)的質(zhì)量管控上捉襟見肘，在已經(jīng)發(fā)生試車故障的情況下仍未能有效定位產(chǎn)品設(shè)計隱患及缺陷，使得可能的發(fā)動機(jī)故障帶入飛行任條，釀成大錯。

二、對我國火箭研制的啟示

通過對美國各型火箭飛行失利情況的分析，可以看出即使在美國這樣的航天強(qiáng)國，不管是像ULA這樣的傳統(tǒng)航天企業(yè)，還是像SpaceX這樣新型的私營商業(yè)航天公司均在飛行任條中出現(xiàn)了或多或少的失利。一方面說明航天領(lǐng)域高風(fēng)險的特點(diǎn)，另一方面也說明發(fā)射可靠仍是各個公司持續(xù)追求的目標(biāo)。

1.充分而全面的試驗(yàn)尤為重要

不管是Falcon 1火箭出現(xiàn)的分離計算發(fā)動機(jī)后效偏差造成助推級碰撞二子級，還是軌道科學(xué)公司對Taurus火箭整流罩分離系統(tǒng)只進(jìn)行縮比試驗(yàn)造成整流罩未分離，都說明在運(yùn)載火箭研制過程中進(jìn)行充分而全面的地面試驗(yàn)的重要性。特別針對首次開展飛行任條的火箭，由于其采用了大量未經(jīng)飛行驗(yàn)證的新技術(shù)，地面試驗(yàn)的試驗(yàn)邊界不夠真實(shí)，可能造成考核的不充分，帶來飛行隱患。因此，在研制初期地面試驗(yàn)策劃時應(yīng)注重其全面性和充分性，確保成熟度較低和涉及飛行成敗的關(guān)鍵技術(shù)得到試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)的識別尤為重要

運(yùn)載火箭搭載的高價值有效載荷發(fā)射任條使其采用了大量冗余措施以提升其飛行可靠性，但仍然會存在各種單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)，如Delta 4H火箭耗盡關(guān)機(jī)傳感器的誤關(guān)機(jī)信號、Falcon 9火箭貯箱內(nèi)的高壓氣瓶支架等，若未有效識別，應(yīng)在方案設(shè)計前期盡量采用冗余措施，對不能實(shí)施冗余的需要加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量的過程監(jiān)控和測試檢驗(yàn)，才能確保不會付出飛行失利的慘痛代價。

3.動力系統(tǒng)是重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)

據(jù)統(tǒng)計，1990～2015年間的126次發(fā)射失敗中，由于推進(jìn)系統(tǒng)故障導(dǎo)致失敗的共有64起，占全部發(fā)射失敗的51%。液體火箭發(fā)動機(jī)故障表現(xiàn)形式多為推力不足、點(diǎn)火失敗、提前關(guān)機(jī)，其主要原因?yàn)橥七M(jìn)系統(tǒng)部件故障、有多余物以及燃燒不穩(wěn)定等。因此，在火箭研制工作中應(yīng)十分重視動力系統(tǒng)設(shè)計正確性的地面試驗(yàn)驗(yàn)證，嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程質(zhì)量，確保其滿足上天飛行的可靠性要求。