2011年國外航天故障綜述

劉豪（北京空間科技信息研究所）

□□2011年度全球共進行84次運載火箭發射活動，共發射各類航天器142個（含發射失敗），發射數量比2010年明顯增多，但發射失敗和在軌發生故障的航天器也顯著增加。全年國外共發生航天器故障事件74次，涉及58個航天器，其中發生I類故障（導致航天器全損或任務失敗的重大故障）的航天器有15個，發生II類故障（導致航天器部分功能喪失或壽命顯著減少的重要故障）的航天器有25個。

1 I類故障統計

在I類故障中，運載火箭故障有5次，導致8個航天器全損；另有7個航天器發生重大在軌故障，導致任務失敗或衛星退役。

2011年度發射失敗的航天器

2011年度在軌失效的航天器

GPS－2RM在軌飛行示意圖

GPS－2A衛星在軌飛行示意圖

2 航天器在軌故障分類

在所有66次在軌故障事件中，軍用航天器故障事件9次，占13.6%；民用航天器故障事件30次，占45.5%；商用航天器故障事件27次，占40.9%。

2011年度航天器在軌故障按部位分類

2011年度航天器在軌故障按衛星類型分類

2011年度航天器在軌故障按制造商分類

3 典型航天器故障

俄羅斯地球－IK－2衛星發射失敗

2011年2月1日，地球－IK－2衛星由呼嘯/微風－KM火箭從俄羅斯普列謝茨克發射場發射升空，但衛星沒有在預定時間2月1日18：36進入預定軌道。經分析認為，故障原因可能是“微風”上面級飛行控制系統或陀螺定向裝置故障，導致推進系統按預定時間點火后將衛星送入了錯誤軌道。

在發生故障后，飛行控制系統進一步執行了指令，使上面級與衛星分離。發射的目標軌道是約1000km高的圓軌道，而衛星被送入了近地點320km、遠地點1052km、傾角99.46°的橢圓軌道，導致衛星無法正常工作。2月23日，該衛星在橢圓軌道上再次發生在軌故障，其太陽敏感器失效導致衛星失控，地面控制人員采取了各種措施均未能成功挽救，衛星全損。

搭載著進步 M－12M貨運飛船的聯盟－U運載火箭發射升空，但飛船未能進入預定軌道

“火衛一-土壤”火星探測器模型

地球－IK－2衛星是俄羅斯開展地球物理場測量雙星編隊的首顆衛星，主要用于導彈目標定位和巡航導彈路線規劃。據估計，僅衛星方面的損失就至少為10億盧布。

俄羅斯快訊－AM4衛星發射失敗

北京時間2011年8月18日05：25，俄羅斯從哈薩克斯坦境內的拜科努爾發射場利用質子－M/微風－M上面級火箭發射了快訊－AM4靜止軌道通信衛星，但由于火箭故障，導致衛星發射失敗。

事故調查結論為陀螺控制程序時間間隔設計錯誤，造成上面級方向錯誤，衛星被送入錯誤軌道，而星上燃料不足以將衛星送入預定軌道位置。衛星部分展開了太陽電池翼并進入安全穩定的“備用”模式，該衛星保險索賠3.04億美元。

俄羅斯進步 M－12M飛船發射失敗

莫斯科時間2011年8月24日17：00，搭載在進步 M－12M貨運飛船的聯盟－U運載火箭從拜科努爾發射場發射，升空325s后，火箭第三級發生故障，未能將貨運飛船送入預定軌道，這是進步號貨運飛船飛行歷史上首次發射失敗。飛船最終爆炸，碎片散落在西伯利亞南部阿爾泰共和國境內的山區。

承擔發射任務的聯盟－U運載火箭由中央特種設計局進步國家火箭與航天科研中心（TsSKB－進步）設計和建造，于1973年5月18日首飛，成功將一顆軍事偵察衛星送入軌道。目前，該火箭的近地軌道有效載荷運載能力為7.3t，起飛質量約305t。38年飛行歷史中，聯盟－U運載火箭共成功發射了745次，失敗了21次，成功率達97.26%。

此次飛行中，在火箭第三級點火約 20～25s后，檢測到渦輪尾部燃料壓力突然降低，控制計算機關閉了發動機。調查報告稱，由于燃料管堵塞，致使氣體動力發生器無法向發動機供給燃料和氧氣，而造成缺陷的原因歸咎于制造過程中的疏忽。

俄羅斯“火衛一-土壤”火星探測任務失敗

北京時間2011年11月9日04：16，搭載我國螢火－1火星探測器的俄羅斯“火衛一-土壤”火星探測器由天頂－2SB運載火箭發射升空。688s后探測器與火箭第二級分離，按計劃探測器上的主發動機將在此后啟動，并通過2次點火將探測器送入飛往火星的軌道。

然而，星箭分離后飛行過程出現意外，探測器主發動機一直沒能啟動，使探測器未能按計劃實現變軌。2012年1月15日，“火衛一-土壤”探測器墜落于太平洋惠靈頓島以西1250km處。

據調查報告稱，探測器的飛行控制系統設計錯誤，2臺計算機可能在空間輻射的影響下重啟，預定的飛行程序中斷，探測器進入對日定向模式，等待地面X頻段指令。然而，探測器程序只設計了在飛往火星的巡航階段與地面進行X頻段通信，因此，任憑地面盲發指令，探測器也沒有任何反應。針對之前懷疑美國雷達干擾的可能性，俄羅斯在1月18日左右開展了模擬測試，試驗表明兆瓦級雷達功率對該飛行控制系統完全沒有影響。

“火衛一-土壤”探測器平臺的主要研制單位是俄羅斯拉沃奇金科研生產聯合體，而俄羅斯科學院的空間研究所負責領導探測器科學儀器的研制工作，許多研究所和研究機構參與了儀器研制。火衛一-土壤計劃的總成本為50億盧布。

日本先進陸地觀測衛星－1在軌飛行示意圖

俄羅斯子午線－5衛星發射失敗

2011年12月23日，子午線－5衛星搭載在聯盟－2.1b/弗雷蓋特火箭從普列謝茨克發射升空。在火箭點火425s時，火箭第二級出現故障，導致衛星無法進入近地軌道，而迅速墜落至俄羅斯新西伯利亞洲境內。俄羅斯航天局局長弗拉基米爾·波波夫金認為，火箭發動機故障是造成此次發射事故的直接原因。

故障調查顯示，聯盟火箭在第288s時正常點火，在第425s時，從弗雷蓋特上面級傳回的遙測信號突然減弱，陀螺敏感器超出最大允許偏差40°，星箭失去控制。分析表明，火箭發動機的1號燃燒室腔體可能出現膨脹，導致燒穿并可能發生爆炸（RD-0124發動機有4個燃燒室）。遙測顯示，燃料壓力在0.5s內下降到正常值的10%，又過0.1s后壓力降為零。

“子午線”系列衛星是俄羅斯新一代閃電軌道軍事通信衛星，用于替換“閃電”系列軍事通信衛星，由俄羅斯航天部隊負責運行管理，為俄羅斯軍隊提供特高頻（UHF）、C和X頻段軍事通信業務。該衛星由俄羅斯信息衛星系統-列舍特涅夫公司研制。

榮譽號衛星在軌飛行示意圖

日本先進陸地觀測衛星－1在軌失效

先進陸地觀測衛星－1是日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）研制的，也稱為大地－1衛星，設計壽命3年，目標壽命5年，于2006年1月24日從日本種子島航天發射中心利用H－2A火箭發射，載有光學和雷達成像有效載荷，主要用于測繪制圖、環境觀測、災害監測和資源調查，軍事應用潛力巨大。

2011年4月22日，先進陸地觀測衛星－1正在執行日本東北海岸帶震后測繪任務時，星上電源系統突然發生異常，衛星于日本當地時間7：30左右由正常操作模式轉入低負載安全模式，有效載荷全部關閉。通過日本“回聲”數據中繼試驗衛星傳回的遙測數據顯示，電源異常情況迅速惡化。幾小時后衛星與地面失去聯系。

美國榮譽號衛星發射失敗

2011年3月4日05：09，美國航空航天局（NASA）的榮譽號衛星由金牛座－XL運載火箭從范登堡空軍基地發射升空。

火箭升空大約3min后，由于直徑為1.6m的整流罩沒有及時分離，以致拖累火箭速度，無法抵達預定軌道，最后星箭墜毀于南太平洋塔希提島附近。金牛座－XL是一種慣性制導、固體燃料、地基發射的運載火箭，由美國軌道科學公司設計建造。它具有多種配置，其整流罩尺寸和性能各不相同。

此次故障與2009年“軌道碳觀測”衛星故障如出一轍，故障原因都是整流罩未根據指令分離，但無法確定哪個具體部位故障是導致整流罩沒有分離的直接原因。事故的原因可能包括4種情況：

1）整流罩底座圈連接裝置未完全斷裂，可能導致整流罩無法分離；

2）火工品起爆需要瞬時提供足夠的電流，電流不足可導致器件未充分起爆；

3）整流罩充氣系統沒有提供足夠的壓力來進行分離，該系統包括熱氣發生器（HGG）、推力器和氣動導管；

4）柔性傳爆索（FCDC）掛住了連接裝置的滑動螺紋導軌，阻止了整流罩分離。

美國先進極高頻－1衛星成功挽救

先進極高頻－1衛星于美國東部時間2010年8月14日由宇宙神－5火箭發射。衛星進入近地點225km、遠地點50200km、傾角22.2°的超地球同步軌道后，由于星上450N液體遠地點發動機點火后因未知故障緊急關機，對衛星軌道轉移產生了影響。2011年7月21日，美國問責局（GAO）公布了故障調查原因：在衛星制造過程中，洛馬公司的研制人員沒有正確“沖洗”燃料管路，不慎殘留了一片織物，堵塞了燃料管道。

地面控制人員通過利用星上22N單組元推力器和霍爾效應推力器，共執行了500多次點火，耗時14個月，最終于2011年10月24日將先進極高頻－1衛星送入了預定的靜止軌道。該衛星仍可保證14年的使用壽命。

美國先進極高頻－1衛星在軌飛行示意圖

4 總結

2011年國外航天器故障呈現出以下主要特點：

1）由于運載火箭故障導致的I類故障數量較多，其中俄羅斯占據絕大多數；

2）在軌故障中，姿軌控分系統故障比例較高，其中有多顆第二代“全球星”發生動量輪故障，該型動量輪由古德里奇公司生產，衛星主承包商為泰雷茲-阿萊尼亞公司；

3）美國、日本多顆因故障退役的衛星均大幅超出設計壽命運行；

4）美國先進極高頻－1衛星在電推進系統的幫助下成功入軌，再次凸顯出電推進系統的重要作用；

5）許多重大故障都是因為設計或管理等低層次原因造成。

航天是高技術、高風險、高投入的事業，針對未來我國宇航“多型號并舉、高強密度發射”的態勢，我們更應在型號研制流程的各個環節中嚴抓質量意識，杜絕低水平質量事故，確保型號成功。■