俄羅斯質子火箭失敗的教訓

□ 松 鼠

2011年8月美俄等國家的航天發(fā)射都出現失敗，可以說是航天史上的一個黑色八月，巧合的是，2012年8月7日俄羅斯“質子”火箭一箭雙星發(fā)射Express-MD2和印尼的Telkom-3時又遭遇失敗，雖然這只是2012年俄羅斯的首次航天發(fā)射失敗，但是近年來俄羅斯航天發(fā)射屢屢出現事故，特別是“質子”火箭去年8月發(fā)射Express-AM4時最終衛(wèi)星入軌失敗，這不能不引起人們的思考。

“微風”-M上面級惹的禍

綜合美國和俄羅斯媒體的報道，這次發(fā)射中“微風”-M上面級按計劃將進行4次點火將兩顆衛(wèi)星送入地球靜止軌道，俄羅斯航天局的消息稱主發(fā)動機的第三次工作期間出現問題，第三次點火雖然按計劃進行，但預定的18分零5秒的工作時間僅僅開始了7秒，“微風”-M的主發(fā)動機即關閉，導致兩顆衛(wèi)星無法入軌。俄飛行控制中心稱兩顆衛(wèi)星進入了近地點266.7千米、遠地點5020千米的軌道，北美防空司令部的軌道參數顯示“微風”-M上面級和兩顆衛(wèi)星在近地點265千米、遠地點5018千米、傾角49.9°的橢圓軌道上。由于衛(wèi)星的軌道傾角過大、軌道高度太低，而且這兩顆衛(wèi)星預定是由“質子”火箭直接送入地球靜止軌道，本身并沒有多強的變軌能力，此次發(fā)射任務甚至無法像2009年我國發(fā)射Palapa-D衛(wèi)星失利那樣，通過衛(wèi)星機動變軌進入靜止軌道。這兩顆衛(wèi)星將在未來再入大氣層燒毀，發(fā)射只能宣告失敗。對于“微風”-M上面級出現故障的原因，俄媒體最初報道認為發(fā)動機自動關機的原因是推進劑輸送管道堵塞，導致發(fā)動機渦輪泵工作異常，后來又認為推進劑箱的增壓系統出現故障，最終導致發(fā)動機自動關機。雖然官方尚未做出最后結論，但發(fā)射任務的失敗，“微風”-M上面級的責任是無法推卸的。

Express-MD2衛(wèi)星在廠房中

印尼的telkom-3在廠房中

Express-MD2衛(wèi)星

“質子”火箭可靠嗎？

不同于蘇聯時代的財大氣粗，今天的俄羅斯并沒有那么多承受發(fā)射失敗的本錢，這次失敗后俄羅斯總理梅德韋杰夫發(fā)出警告，稱這是給航天大國抹黑，俄羅斯還成立了內部委員會調查“質子”火箭“微風”-M上面級事故的原因并總結經驗教訓。不過以過去幾年的歷史看，“質子”火箭雖然多次出現事故，但在商業(yè)發(fā)射和本國發(fā)射的雙重壓力下很快再次投入發(fā)射，這次失敗的調查更多是例行公事，如果一定要說可以進行什么有成效的改進的話，應該就是俄羅斯航天部門繼續(xù)狠抓質量控制，但效果并不樂觀。冰凍三尺非一日之寒，“質子”火箭的可靠性問題已經困擾了蘇聯和俄羅斯幾十年了。

“質子”火箭是蘇聯時代研制并廣泛應用的重型運載火箭，討論可靠性問題，“質子”火箭的歷史和設計問題是難以回避的。1968年11月16日“質子”火箭首次發(fā)射，此后它曾發(fā)射了“禮炮”1號到“禮炮”7號空間站、大型貨運飛船、和平號空間站的各個艙段、國際空間站的曙光和星辰號艙段，還發(fā)射了大量的靜止軌道衛(wèi)星以及蘇聯的一系列深空探測器，在航天史上可謂勞苦功高。俄羅斯繼承了蘇聯雄厚的航天工業(yè)，作為一個航天強國也具有極為強大的航天發(fā)射能力。自蘇聯時代開始航天發(fā)射以來，迄今為止聯盟火箭總發(fā)射數量超過1700次，還創(chuàng)造了連續(xù)133次成功發(fā)射的記錄，可靠性在運載火箭中獨占鰲頭。“質子”火箭是土星五號火箭之后、能源火箭之前一次性運載火箭的運力之王，發(fā)射數量迄今為止高達379次，其中336次發(fā)射成功，46次發(fā)射失敗。“質子”火箭發(fā)射數量遙遙領先于緊隨其后的美國大力神3/4系列火箭，憑借蘇聯時代的高發(fā)射量和低廉的發(fā)射價格，蘇聯解體后“質子”火箭成為商業(yè)發(fā)射市場的主力運載火箭之一。美國洛克希德馬丁公司與俄羅斯赫魯尼切夫設計局以及能源公司共同組建了國際發(fā)射服務公司，承攬商業(yè)通信衛(wèi)星發(fā)射，直到今天仍與阿里安公司并稱為國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射的雙雄。

雖然“質子”火箭是商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場的主力之一，但它的發(fā)射成功率并不出色，姑且不論蘇聯時代“質子”火箭早期連續(xù)發(fā)射失敗的歷史，成熟后的“質子”火箭也只有約90%的成功率。如果只統計使用“微風”-M上面級的“質子”火箭的話，發(fā)射成功率更不樂觀，62次發(fā)射中就有6次失敗，其中5次失敗源自“微風”-M上面級的故障。在去年8月和今年8月的兩次失敗之間，“質子”火箭已經進行了11次成功發(fā)射，其中10次發(fā)射使用“微風”-M上面級。在管理和質量控制水平沒有顯著提高的條件下，考慮到“質子”火箭和“微風”-M上面級的歷史表現，今年8月7日的發(fā)射失敗并不令人奇怪，保險公司也習以為常，遠不到俄羅斯媒體尤其是總理梅德韋杰夫渲染的失去聲望的程度。盡管這次發(fā)射失敗算不上什么災難，但是“質子”火箭發(fā)射成功率的問題，仍然是值得關注的，到底是哪些因素影響了“質子”火箭的可靠性呢？

印尼的telkom-3衛(wèi)星

“質子”-M火箭發(fā)射失敗

高軌道發(fā)射場的影響

1999年“質子”火箭的“微風”-M上面級首次服役，它源自轟鳴火箭(Rokot)的微風-K上面級。“微風”-M上面級大幅度提高了“質子”火箭的同步轉移軌道和靜止軌道運載能力，入軌精度上也有所提高。“微風”-M上面級高2.61米、直徑4.0米，質量約2.37噸，攜帶的偏二甲肼/四氧化二氮可存儲推進劑總質量約19.8噸。“微風”-M上面級具體可以分為兩個部分：中央模塊、環(huán)形附加推進劑儲箱。中央模塊包括儀器艙、推進劑儲箱和發(fā)動機，攜帶約5.2噸的推進劑，是“微風”-M上面級的核心部分，其中發(fā)動機包括一臺推力約2噸的14D30主發(fā)動機，另有四臺11D458M推力調節(jié)發(fā)動機和12臺17D58E姿態(tài)控制發(fā)動機。中央模塊外的環(huán)形輔助附加模塊可以看作副油箱，其自重約1噸攜帶了約14.6噸的推進劑，這些推進劑耗盡后附加推進劑儲箱將會被拋棄以降低上面級的結構質量，這樣的設計可以顯著提高同步轉移軌道和靜止軌道運載能力。“微風”-M上面級的14D30主發(fā)動機最多可進行8次點火，上面級滑行時間最長可超過24小時，配合可拋棄輔助推進劑箱的設計，是一種設計十分巧妙的上面級。不過話說回來，“微風”-M上面級使用偏二甲肼/四氧化二氮推進劑，主發(fā)動機真空比沖只有326秒，運力無法與使用液氧液氫推進劑的上面級相比。為了盡可能提高運力，其設計過于復雜，無論是可拋棄的輔助推進劑儲箱，還是過多的點火次數和過長的滑行時間，都降低了上面級的固有可靠性，這是“質子”/“微風”-M火箭頻繁出現事故的重要原因。

在執(zhí)行近地軌道發(fā)射任務時，“質子”火箭使用三級火箭構型，而在發(fā)射靜止軌道衛(wèi)星時則使用了四級火箭的設計。由于使用三級火箭的設計，外加使用高壓補燃循環(huán)發(fā)動機，“質子”火箭的近地軌道運載系數較高，與之相比“質子”火箭的同步轉移軌道運力并不出色。四級的“質子”火箭可粗略看作發(fā)射近地軌道載荷的三級“質子”火箭增加一個上面級，“質子”火箭原始設計上更適合近地軌道任務，而沒有對發(fā)射同步轉移軌道載荷進行多少優(yōu)化，進入同步轉移軌道和靜止軌道主要依靠上面級實現，這是其同步轉移軌道運力不高的一個原因。發(fā)射“質子”火箭的拜科努爾發(fā)射場存在緯度過高的問題，發(fā)射靜止衛(wèi)星時需要更多的速度增量改變軌道傾角，嚴重影響了“質子”火箭的同步轉移軌道運力，這是“質子”火箭同步轉移軌道運力不足、“微風”-M上面級需要多次點火的重要原因。

“質子”/“微風”-M火箭可將22噸的載荷送入國際空間站高度300多千米，傾角51.6度的軌道，根據轉移到地球靜止軌道的速度增量(ΔV)不同，它可將質量從5.25噸到7.5噸的載荷送入地球同步轉移軌道，它還具備將最高3.7噸的載荷直接送入地球靜止軌道的能力。“質子”/“微風”-M火箭的前三級和“質子”M火箭基本一致，它最大的特點是增加可多次啟動的“微風”-M上面級，顯著提高了火箭的運載能力和使用的靈活性。“質子”/“微風”-M火箭長度約60米，直徑約4.1米，整流罩靜態(tài)包絡直徑為3.87米，火箭起飛質量約705噸。“質子”/“微風”-M火箭第一級由一個裝有四氧化二氮的中央儲箱和外側圍繞的六個偏二甲肼燃料儲箱組成，燃料儲箱底部各裝有一臺RD-276分級燃燒循環(huán)發(fā)動機，“質子”火箭第一級地面起飛推力約1000多噸，發(fā)動機工作時間約2分鐘。“質子”/“微風”-M火箭的第二級為3臺RD-0210和一臺RD-0211發(fā)動機，它們均為分級燃燒循環(huán)發(fā)動機，也仍然使用偏二甲肼/四氧化二氮推進劑，其總推力約245噸，工作時間約3.5分鐘。“質子”/“微風”-M火箭的第三級為一臺RD-0213發(fā)動機，其推力約59.5噸，工作時間約4分鐘。“質子”/“微風”-M火箭最后的一段則是“微風”-M上面級，具備多次點火能力，可以多次變軌將衛(wèi)星送入同步轉移軌道甚至靜止軌道。

“微風”-M上面級的5次失敗占了“質子”/“微風”-M火箭6次發(fā)射失敗的絕大部分，從80/20法則看，“微風”-M上面級是制約“質子”/“微風”-M火箭發(fā)射成功率的最主要原因。“質子”火箭尤其是“微風”-M上面級成功率不高，還有俄羅斯基礎工業(yè)實力不濟的原因。盡管在很多人的印象里，蘇聯和俄羅斯都是一個工業(yè)尤其是航天工業(yè)極其發(fā)達的國家，但蘇聯強大的航天工業(yè)都更多體現在運載火箭而不是衛(wèi)星、探測器等載荷上，無論是傳統的材料、機械、電氣領域還是新興的電子工業(yè)，蘇聯的技術水平都與西方發(fā)達國家存在不小的差距。蘇聯解體后俄羅斯工業(yè)遭受了崩潰性的打擊，不僅無法盡快追趕技術差距，還出現了去工業(yè)化現象，并導致大量人才的流失和工業(yè)生產能力的衰亡，航天部門雖然依靠外國訂單維持下來，但零部件供應體系和質量監(jiān)管體系仍然受到不小的破壞。

拜科努爾發(fā)射場

“質子”-M火箭簡介

火箭設計是主要問題

“質子”火箭分為多種型號，蘇聯解體后使用的型號主要包括三級運載火箭“質子”-K、“質子”-M和四級運載火箭“質子”-K/Block DM、“質子”-K/“微風”-M和“質子”-M/“微風”-M等型號，雖然俄美聯合的國際發(fā)射服務公司早期曾使用“質子”-K/Block DM火箭，但俄羅斯目前進行靜止軌道通信衛(wèi)星的型號是“質子”-M/“微風”-M火箭，不做特殊說明的話，一般直接稱之為“質子”/“微風”-M火箭。

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過多的火箭級數和多次點火長時間滑行的上面級，不可避免的帶來了固有可靠性的下降。“質子”火箭發(fā)射成功率穩(wěn)定在90%左右，級數更少的聯盟火箭卻達到了約97%。從兩種俄羅斯運載火箭的對比看，“質子”火箭發(fā)射成功率難以進一步提高，火箭設計是最主要的原因。

“質子”-M運載火箭

“質子”-M運載火箭轉場

工業(yè)實力不濟、質量監(jiān)管混亂

基于2005-2014年長三角地區(qū)的經驗數據，表4報告了制造業(yè)結構影響因素的回歸結果，回歸時采用固定效應模型，具體面板回歸結果見表4。

國家重大體制的改革，使原國土資源部門的事權發(fā)生了根本性的變化，單純的行政管理職能已轉為對自然資源所有權的行使主體。為自然資源綜合管理提供服務支撐，未知空間很大。

比較表3和表4發(fā)現，兩種零件的優(yōu)化結果在成本變化量上存在較大差異，且零件B大于零件A。這是因為零件B成本范圍的基數比A更大，在相同的成本調控方式下，B能減少的成本量更大。零件A的成本基數本來已經很小，即使引入成本調控，改變零件加工成本，可以影響的值也有限。

蘇聯解體后俄羅斯航天工業(yè)長期以來甚至沒有嚴格的驗收制度，其質量監(jiān)管的混亂可見一斑。俄羅斯航天工業(yè)質量控制水平下降的問題，已經通過最近幾年多次在成熟的火箭上出現低級錯誤體現出來，這其中不僅有對發(fā)射失敗習以為常的“質子”火箭，甚至聯盟火箭也“不甘落后”。2011年8月俄羅斯使用聯盟火箭發(fā)射進步號貨運飛船，但火箭第二級發(fā)動機出現推進劑輸送管路堵塞，推進劑無法正常輸送發(fā)動機關機，最終發(fā)射任務失敗，這本是地面監(jiān)測應該發(fā)現的問題。去年8月發(fā)射Express-AM4衛(wèi)星的“質子”火箭也遭遇失敗，事后調查指出生成飛行時序時導航周期設定過短，導致三軸穩(wěn)定平臺解算位置錯誤，最終失去遙測信息并進入錯誤的軌道，這更是發(fā)射準備的低級錯誤。今年8月的“質子”火箭發(fā)射，“微風”-M上面級儲箱的氣動增壓系統發(fā)生故障，導致推進劑無法流入燃燒室，俄羅斯航天局前局長波米諾夫就認為是質量控制的人為因素引起的。以上事故很難說是運載火箭的設計問題，而更多是質量控制的問題，體現了俄羅斯航天工業(yè)監(jiān)督管理的松弛和從業(yè)工人水平的下滑，這種慢性失血雖然不明顯，但已經在啃噬俄羅斯航天工業(yè)的基礎。

與俄羅斯航天的困境類似，中國航天也曾遭遇發(fā)射失敗的低谷，但通過后來的一系列整頓，以嚴抓質量管理和產品檢測，優(yōu)化產品設計提高檢測診斷能力，成功的實現了連續(xù)數十次的發(fā)射成功，這說明即使原始設計不夠合理，運載火箭的可靠性仍是可以進一步提高的。俄羅斯未來將采取什么樣的措施提高“質子”火箭發(fā)射成功率，是我們也十分關注的問題。如果“質子”火箭可以進一步提高成功率，對同樣基于20世紀60年代技術的現有長征火箭，將是很有參考價值的。