近年來俄羅斯運載火箭故障綜合分析與啟示—聯盟－FG火箭發射失利引發的思考

張 婭

北京時間2018年10月11日16時40分，載有俄羅斯阿列克謝奧·夫奇寧和美國尼克·黑格兩名航天員的聯盟 MS－10載人飛船由聯盟－FG運載火箭從哈薩克斯坦拜科努爾發射場發射升空。出乎意料的是，火箭一子級一個捆綁助推器分離失敗，乘員艙以彈道式再入方式下落，所幸船上兩名航天員緊急啟動應急逃逸系統成功逃生。本次事故是自1983年以來首次因運載火箭故障導致載人飛船發射失敗的案例。更為諷刺的是，俄羅斯專門挑選10月11日作為發射日，因為當天是俄羅斯航天骨干企業、生產“聯盟”載人飛船的能源生產設計聯合體成立100周年紀念日。

1 引言

2018年3月，“拋物線弧”（Parabolic Arc）網站曾發布了一份數據統計報告，指出過去30年中，俄羅斯航天任務共失敗60次，平均每年要失敗2次。報告還特別指出，回顧過去十年，較為嚴重的航天事故是向國際空間站運送物資的3艘進步 M飛船折損、歐洲“伽利略”衛星導航星座下的兩顆衛星被送入錯誤軌道，以及發射“福布斯-土壤”時致中俄合作研制的火星探測器損毀，而聯盟 MS－10載人任務的失敗再次令一直為頻發航天故障困擾的俄羅斯航天工業雪上加霜,這進一步破壞了對俄羅斯運載能力、乃至太空能力的信任。

2011－2018年，俄羅斯航天發射次數總計225次（含歐洲“聯盟”及海射公司“天頂”），發射事故高達18次，故障率8%，其中“聯盟”火箭8次居首位（含部分失敗2次），“質子”火箭7次（含部分失敗1次），“轟鳴”2次（含部分失敗1次）以及“天頂”1次?？傮w來看，俄羅斯故障體現了兩個集中：一是時間集中，如僅2011年一年就有4起發射失敗，而2015年20天不到就出現了兩起發射失利；二是型號集中，僅“聯盟”和“質子”兩型火箭就占到了失利總數的83%。

2 故障類型分析

設計故障

一般來說，設計故障多發生在研制階段的初期及開始使用階段，或發生在更換新系統或新部件后的頭幾次飛行，而隨著飛行次數的遞增，故障將逐漸地減少并趨于穩定。不過，成熟火箭也會因設計故障發射失敗，典型的是2014年8月22日，阿里安航天公司采用聯盟 ST火箭發射“伽利略”任務失敗的案例。此次事故的根本原因并非質量控制不嚴抑或是制造問題，而是火箭配備的“弗雷蓋特”（Fregat）上面級熱動態要求在研制階段只考慮了短時燃燒的工況，并未考慮到各子級系統間的熱傳遞，致使官方的指導文件讓裝配工人在排布燃料管路時靈活性較大。在“伽利略”任務中，由于入軌過程延長，從而導致燃料管路布置不當引發推力器肼燃料凍結，燃料供給中斷，衛星被送入錯誤軌道。無獨有偶，2015年4月28日，聯盟-2-1a火箭發射進步M－27M時箭、船分離異常，也是因為在研制過程中僅單一考慮了火箭和航天器各自的動力學特性，未充分考慮星箭匹配后組合體產生的新特性，因而未能在火箭系統的設計、試驗工作中充分重視連接結構。

俄羅斯發射事故統計圖（2011－2018年）

2015年5月“質子”火箭/“墨西哥通信衛星”衛星進場

聯盟－2－1b/Fregat發射流星－M

推進系統故障

推進系統原本就是運載火箭上最易發生故障的部分，在運載火箭發射失敗案例中，由發動機故障引起的通常占一大半。以故障發生最多的“質子”火箭為例，在2014年和2015年皆因火箭三子級渦輪泵葉片在高溫下發生損耗，造成葉片失衡，進而導致三子級游動發動機超過振動負載，加之平衡系統不穩定，發動機提前關閉，星箭俱毀。事實上，1988年1月火箭就因此原因發射失敗，介于當時的火箭發動機未配備負載傳感器，未能查明事故的真正原因。另外，從2006－2018年，“質子”火箭發射總數達100次，失敗11次，失敗率高達11%，其中7次均為上面級故障，“微風”上面級就占到了6次，這充分說明俄羅斯的歸零工作不到位，質量監管體系存在重大問題。

人為故障

人為故障一般是在制造、裝配、測試過程中質量控制不嚴造成的故障，偶發性和隨機性強。俄羅斯近年來頻發的航天事故與此難脫干系。最為典型的案例是2013年7月質子-M/DM-03運載火箭在發射3顆“格洛納斯”（GLONASS）導航衛星時，因工人在裝配時將火箭一子級上6個角速度傳感器中的3個安裝顛倒，導致火箭控制系統發出指令錯誤，星箭均在發射場炸毀。在后續調查中發現，俄羅斯尚無在發射前防范此類錯誤的相關規定，而箭上傳感器早在2011年就已安裝完畢，又未拍攝安裝全過程，相關責任方自然無法追溯。事實上，2010年12月俄羅斯也曾采用質子－M/DM－03運載火箭發射3顆GLONASS-M衛星，由于燃料加注出錯，星箭俱毀。2016年12月進步 MS－04貨運飛船發射失敗的根本原因也是發動機內部有異物進入，導致氧化劑貯箱破裂爆炸，故障性質為人為事故。最為諷刺的當數2017年11月28日未能入軌的流星-M氣象衛星，竟然因上面級制導參數未按照實際發射的新建東方發射場設定，而是慣性思維直接沿用了往常從哈薩克斯坦拜科努爾發射場發射的參數，完全屬于人為疏忽大意，并非技術問題，令人啼笑皆非。

3 故障原因綜合分析

經濟及政治形勢日益惡化

20世紀90年代,俄羅斯向市場經濟過渡的混亂局面就使俄羅斯的太空計劃陷入了困境。雖然俄羅斯運載火箭在衛星發射市場上具有強大的競爭力，但聯邦政府在升級發射設施和開發新太空技術方面嚴重缺乏投資，這使得俄羅斯一直面臨吃老本的局面。世界油價的暴跌使俄羅斯經濟遭受重創，這使得預算本就不足的俄航天預算進一步縮水，俄羅斯10年的航天預算僅與NASA大約1年的預算相當，在這樣的情況下，俄羅斯航天自然很難健康發展。2014年烏克蘭危機爆發后，俄羅斯遭遇了經濟制裁與政治抵制，俄羅斯航天工業面臨的局勢更加窘迫。據2018年6月俄羅斯衛星網（Sputnik）國家新聞機構報道，俄羅斯航天國家集團公司（Roscosmos）很有可能在未來3年（2019－2021年）面臨高達1500億盧布（超20億美元）的資金缺口，這將使本就面臨困境的俄羅斯發射業再度陷入危機。

現代化質量監管體系缺失，技術、管理歸零不到位

盡管每次事故后俄羅斯均會信誓旦旦地發表聲明，嚴查故障原因，追究責任人，并實施行之有效的管控措施來杜絕航天事故的再次發生，但其一而再、再而三地發生故障，且均集中在成熟型號上，這不得不更讓國內外質疑俄羅斯航天產品的質量管理體系。迄今，上至俄航天局局長、下至重要航天研究和生產企業的負責人都被更換過，事實證明，這種尋找“替罪羊”的辦法并不能阻止事故再次發生，高頻的航天事故已經不是單純的質量事故，而折射出更多俄羅斯航天的痼疾。蘇聯時期，俄羅斯航天一直是由軍方管理，蘇聯解體后，俄羅斯原有的軍事化領導體制在政治體制轉型過程中解體，迫于經濟壓力，航天從軍隊中脫離出來，成立了聯邦航天局，作為專門的政府機構來管理航天產業。監管機制“去軍事化”后，俄羅斯并未設立獨立的測試機構來檢驗產品，而是由相應的軍工生產企業自行完成，這種“既當考生又當考官”的制度顯然不能保證航天產品的質量，反而使故障漸成“常態”。多個航天器的折戟沉沙，幾乎都與航天產品質量監督不力和生產部門責任不明有很大關系。目前看來，俄羅斯并未向現代化質量控制體系過渡，也無適當的書面程序可以防犯錯誤。經驗豐富的老一代工程師也已退休，而新一代年輕人也從未進行任何系統的培訓。若想重振俄羅斯航天業，行業內部必須“刮骨療傷”，建立嚴格的質量管理體系。

生產能力及配套發射服務難以滿足高密度發射需求

單從規模上來看，俄羅斯繼承了蘇聯航天業90%的資產，算得上“家大業大”，但由于歷史原因，俄羅斯多型現役火箭雖標屬俄羅斯，實際上是由俄羅斯、烏克蘭與哈薩克斯坦共同參與研制，火箭部件也非全部由俄羅斯生產，因此想要全盤掌控，絕非易事。隨著單型火箭發射密度的增加，暴露的問題越來越多。以質子－M/微風－M火箭為例，最初年發射次數約2次/年，自2006年開始增加，最多達到12次/年，無獨有偶，也正是從這一年開始，該型火箭幾乎年年都出現發射失利。2016年年底，俄羅斯又發現制造廠家在粘結“質子”火箭二子級和三子級發動機零件時使用了錯誤焊料，不得不將58臺發動機返廠進行重新評估，造成“質子”長時間停飛。從某種程度上而言，這可以說明俄羅斯運載火箭的整體航天發射能力根本不能滿足高密度發射的需求，直接或間接誘發了發射活動中事故隱患的出現。質量控制問題以及SpaceX公司的崛起，使俄羅斯在發射市場的主導地位受到了挑戰。2016年俄羅斯全球發射總數僅排名第三，2017年盡管發射總數增加至21次，但按歷史標準來看仍然很低,而2018年俄羅斯僅發射20次，大幅落后于中國（39次）和美國（34次）。在GEO商業衛星發射市場，曾經的老大哥“質子”火箭已經排在獵鷹－9和“阿里安”之后，而保險市場已經認定“質子”火箭10次發射必定有1次失敗，這成為保險商的定價依據。俄羅斯似乎已經無力挽回批量客戶流失、保費增加的局面，在商業發射市場上份額持續減少。

航天基礎工業嚴重老化，人才流失、斷層現象嚴重

俄羅斯航天國家集團認為，相比發達國家，俄羅斯航天經費投入嚴重不足。在航天研究和發展方面，俄羅斯的資金投入只有發達國家的十分之一，在基礎設施和人員培訓方面的投入只有發達國家的五分之一。俄羅斯三分之一的軍工企業已倒閉，70%的生產技術已經過時，超過半數的生產模具已在超時服役。在人員配置方面，老齡化現象非常嚴重，員工的平均年齡為50歲，在一些國防產業研究中心員工的平均年齡甚至超過60歲。航天經費逐年下滑，基礎工業嚴重老化，人才流失、斷層現象非常嚴重。羅戈津早就指出，2007－2011年，美國以航天火箭技術發展為題的科技著作有716部，歐盟有658部，而俄羅斯只有132部。俄羅斯的航天活動也幾乎沒有新的亮點，一直處在吃老本的狀態。

管理改革收效甚微，經費支配仍不合理

俄羅斯總統普京早就指出俄羅斯軍工業發展滯后，航天產業結構存在問題，要求采取“強有力且涵蓋范圍廣”的路線實現“躍進”式發展。2016年1月1日，原聯邦航天局與聯合火箭航天公司合并，組建了俄羅斯航天國家集團公司，其目的包括清除冗余工業能力、優化質量控制流程等。羅戈津曾宣布要裁掉現有25萬員工中的10萬，再每年招收1萬名大學畢業生，為航天注入新鮮血液。目前來看，俄羅斯航天國家集團公司的成立似乎并未緩解俄羅斯航天的困境。最近5年來，俄羅斯航天火箭以及防空導彈等領域的骨干企業大幅改組，各種集團和財團不停拆分、重組，在這一過程中由于牽涉到很多利益集團，丑聞也層出不窮。另外，俄羅斯的經費管理也不如人意。一家俄監察機構宣布僅2014年一年俄羅斯航天項目就浪費了18億美元，俄羅斯決策者還不斷從航天預算中抽取經費支援軍事項目，或是用于東方發射場、被占領的克里米亞航天設施等項目。東方發射場的建筑商正是索契冬奧會場館的建設者，其工程進度拖沓、質量不過關，也受到了關于其貪腐的質疑。

4 啟示

強化航天型號可靠性工作及全過程質量控制，深入推進航天精細化質量管理

成功是航天事業的生命，但成功不等于成熟，成熟不等于可靠。如今太空發射服務的競爭愈加激烈，確保進入空間必須提供完備的航天發射服務。面對目前高強密度發射的需求，強化航天型號可靠性工作及全過程質量控制，推進精細化質量管理才是確保航天型號一次成功的重要保證。特別要注意，必須要把控好火箭的研制、裝配、試驗、運輸的每個環節，即使針對成熟火箭也必須要有一個再認識、再分析，特別還有一個再確認的過程。只有有效控制火箭產品的質量，完善制造驗收體系，提高研制管理水平，才能確保每發成功。

發射活動屬高風險行業，配備至少兩個系列運載火箭,確保航天裝備和空間探索活動持續發展

隨著運載技術的發展，運載火箭的故障率相比早期急劇下降，航天活動的安全性越來越高，但是航天發射屬高風險行業，運載火箭在研制、生產、試驗及使用過程中，由于外部各種苛刻條件與內部各系統固有缺陷的綜合作用，不可避免會有故障發生。因此，航天發射的高風險性決定了至少配備兩個系列的運載火箭的必要性。從某種意義上而言，火箭允許失敗，但國家安全來不得半點閃失。美國就認為只有一種發射國家安全類有效載荷的方式是對國家安全的重大威脅。除此之外，適度競爭還有助于促進技術發展，增強企業健康。建議我國在部署新一代運載火箭型譜時重點支持國內兩家運載火箭總體單位，發展至少兩型運載火箭，以確保國家進入空間的能力。