未能抵站的進步M-27M飛船

郭筱曦 王霄 （北京空間科技信息研究所）

莫斯科時間2015年4月28日10∶09（北京時間15∶09），聯盟-2.1a火箭按計劃從哈薩克斯坦境內的拜科努爾航天發射中心點火起飛，執行進步M-27M飛船的發射任務。該飛船是2015年俄羅斯第2艘向“國際空間站”運送補給的貨運飛船。它在入軌后即發生了嚴重的并發故障，地面無法與其取得聯系，處于失控翻滾狀態。俄羅斯聯邦航天局（Roscosmos）在莫斯科時間4月29日晚間宣布，此次任務無法挽救是不可避免的事實。進步M-27M于5月8日再入大氣層。該任務失敗造成的損失估計達26億盧布（約合5050萬美元）。

1 此次事故情況

事故基本情況

莫斯科時間4月28日10:09，聯盟-2.1a運載火箭點火升空。10:18，即在火箭飛行了8min46s后，進步M-27M飛船與其分離。在此之前，火箭運轉穩定，未報告任何異常，看起來是一次完美的發射。

進步M-27M“帶病”被送入軌道

第一次故障先兆出現在關鍵的第三級火箭關機和船箭分離時的前后。在船箭分離前1.5s，火箭遙測數據完全丟失，飛船數據也出現中斷。北美防空聯合司令部（NORAD）提供的軌道參數顯示，飛船進入了高于目標的軌道。船箭分離之后，飛船的遙測數據呈間歇性下傳，所收集的數據僅夠任務控制中心確認進步M-27M飛船太陽電池翼成功展開，但無法確認飛船上航向-NA（KURS-NA）交會系統天線展開狀態和推進系統加壓狀態等。因此，任務被立即從6h的“快速交會”飛行模式切換至常規的兩晝夜交會飛行模式，讓地面控制人員有更多時間排查故障。如問題可以解決，則飛船可于4月30日與空間站對接。

莫斯科時間4月28日當天，飛船在4次飛經俄羅斯地面站測控范圍時，任務控制中心都無法確認飛船系統狀況。在飛船第3次經過俄羅斯地面站時，通過甚高頻下傳了一段長14s的視頻，顯示航向-NA系統被置于“測試模式”，同時顯示了“姿態失控”等一系列告警。在飛船第4次經過俄羅斯地面站時打開了外部攝像機，成功向地面下傳了一段長數分鐘的視頻，清晰顯示飛船正在快速、不受控制地翻滾，證實了飛船遭遇嚴重故障，同時顯示多個角速度傳感器失靈告警。

俄羅斯地面控制人員一直在向進步M-27M飛船發送指令試圖停止其旋轉，但沒有產生任何效果。在一個整夜的時間里，飛船都在軌道上被動快速翻滾，使挽救任務的可能性更加渺茫。

莫斯科時間4月29日凌晨04:50，進步M-27M飛船再次進入地面站測控范圍，地面團隊嘗試向飛船發送指令將其切換至手動對接模式，但依然沒有接收到任何數據。更嚴峻的問題是要節省飛船電力，因為自發射起，飛船太陽電池翼就沒有保持對日定向。另外，飛船推進劑供給狀況以及推進劑是否足夠挽救任務也存在不確定性。在發射24h后，可能由于電池耗盡，飛船不再向地面發送任何數據。因為沒有機會與飛船通信，任務控制中心也沒有機會關掉飛船上的非必要系統。

美國戰略司令部（USSTRATCOM）還跟蹤到至少44個來自飛船或火箭第三級的碎片，分布在近地點153～180km、遠地點172～365km的軌道上，考慮到碎片質量和軌道高度都很低，大部分碎片軌道壽命也極低。

美國軍方認為，碎片出現及其在軌道上的擴散證實曾發生高能事件，或是加壓系統（推進劑貯箱／管道系統、加壓劑貯箱／管道系統、氣瓶、壓力容器）出現破裂，或是第三級火箭與飛船之間發生碰撞。美國空軍一位新聞發言人稱:“考慮到（碎片高度），以及飛船比預定初始軌道高30～40km的事實，我們可以肯定地說，在船箭分離時刻發生了爆炸。”

由于沒有能力指揮飛船，考慮到碎片數量，飛船可能受損嚴重，以及電池不再為飛船供電，在所有嘗試聯系飛船的努力均以失敗告終后，4月29日，任務控制中心被迫接受了任務失敗的事實。

俄官方關于事故的說明

莫斯科時間4月29日晚間，俄羅斯聯邦航天局發表正式聲明，稱此次任務失敗已成事實。據俄羅斯航天官員稱，現在可以確定，飛船與火箭第三級分離時出現了嚴重問題。數據分析顯示，當時火箭和飛船的數據幾乎同時丟失，這表明發生了致使任務失敗的災難性事件。專家還確認，飛船主推進系統失壓，飛船進入翻滾狀態，每4.5s旋轉一周。

在此次任務被正式認定為失敗后，俄羅斯聯邦航天局組織相關機構和專家開始對進步M-27M飛船故障原因進行詳細調查，包括對火箭第三級性能進行詳細的數據分析；對飛船下傳的有限遙測數據也進行了詳細檢查,以拼合出最有可能的故障情形。

失控的進步M-27M貨運飛船最后再入大氣層

莫斯科時間5月12日,俄羅斯聯邦航天局公布了初步調查結果:火箭第三級主發動機開機之后,氧化劑貯箱和燃燒劑貯箱接連失壓,是導致飛船偏離目標軌道的直接原因。但針對根本原因的調查工作還在繼續，還需進行更深入的理論分析、計算建模和一系列試驗。

6月1日，負責調查此次事故的俄羅斯跨部門委員會會議公布了最終調查結果：由于飛船和火箭的頻率和動態特性導致兩者配合出現問題，結果導致運載火箭第三級和貨運飛船分離異常，飛船損壞。在研制飛船和火箭組合體時并沒充分考慮其結構特性。目前，俄羅斯聯邦航天局已針對飛船和火箭組合體的進一步飛行試驗制定工作計劃。

6月9日，俄羅斯聯邦航天局重新調整了2015年的載人航天發射計劃，貨運飛船的發射計劃也做出了相應調整。

2 事故后續影響取決于調查結果

俄羅斯航天官員在宣布任務失敗時不無悲傷地說:進步M-27M飛船到不了“國際空間站”了。但這不會對在站上生活和工作的6名航天員構成直接威脅。站上有充足的補給品，至少能維持4個月正常運行，且進步M-26M飛船還正在與空間站對接，可為空間站提供推進保障。

定于今年下半年發射的第5艘日本“H-2轉移飛行器”

唯一會威脅空間站運行的是“聯盟”／“進步”飛船長期停飛或“聯盟”系列火箭Block I第三級停用的可能性，考慮到“聯盟”／“進步”這兩種飛船上各系統的高度通用性，Block I也是目前所有執行俄羅斯“國際空間站”載人及貨運任務的聯盟-U、FG和2.1a火箭通用的部件。從目前的調查結果看，聯盟-2.1a火箭和進步M-M飛船都不會停飛，但兩者可能不會再組合飛行。

繼2014年10月美國“天鵝座”飛船在執行第3次任務發射時火箭爆炸、船箭俱毀而導致停飛后，“進步”飛船如今也陷入困境。“進步”是目前唯一能向空間站轉移補加推進劑的飛船，是空間站維持自身軌道、執行碎片規避機動和調整姿態所必需的。除“進步”飛船以外，當前在用的“國際空間站”貨運飛船只有美國太空探索技術公司的“龍”飛船（今年6月28日發射時失敗）和日本“H-2轉移飛行器” （將于今年下半年發射）。“天鵝座”貨運飛船有望于今年年底復飛。歐洲“自動轉移飛行器”本也可以向空間站運送補加推進劑，但它已于年初結束第5次任務后正式退役。不過，進步M-28M于今年7月3日由聯盟-U火箭發射成功。

3 俄羅斯飛船近年故障頻發

打造聯盟-2.1a運載火箭

總體而言，俄羅斯的載人及貨運飛船技術高度成熟，并具備每年多艘的生產制造與發射能力。“聯盟”／“進步”系列飛船經數十年飛行和改進，已被公認為全球可靠性最高的載人／貨運飛船。但最近幾年來，這兩個系列飛船均頻發在軌故障，地面系統運行也不太穩定，甚至在2011年8月出現了“進步”系列飛船歷史上第一次發射失敗，引起業內對俄羅斯載人航天能力水平下滑和管理混亂的質疑。

請注意，在此次事故中飛船在入軌時出現了“過度執行”。回顧2014年，聯盟TMA-12M、14M載人飛船發生了兩次在軌故障，雖故障情形各不相同，但這兩次飛船入軌過程中也都出現了“過度執行”，即實際軌道參數高于目標軌道參數，其中，聯盟TMA-12M飛船“過度執行”引起的軌道偏差間接導致了故障發生，是俄羅斯載人及貨運飛船在采用“快速交會”模式后首次臨時中止。聯盟TMA-14M飛船在入軌后左舷太陽電池翼未能按計劃展開，飛船保持單側翼展開的飛行姿態與空間站對接。

進步M-27M飛船所采用的航向-NA系統是基于雷達的交會系統，繼承了“航向”等舊型號特性，能保證飛船執行完全自動化的交會、接近和對接程序，并改進性能、減輕質量、降低功耗，使系統效率更高。新型航向-NA系統在2012年7月發射的進步M-15M飛船和2013年11月發射的進步M-21M飛船上進行過2次飛行試驗，但都未成功，導致進步M-15M飛船二次對接失敗，進步M-21M飛船自動對接失敗。2013年4月，進步M-19M飛船采用另一新型號航向-A系統，其中一根天線在對接過程中也未能正常展開。

4 執行此次任務的運輸系統

運載火箭

這是第2次用聯盟-2.1a運載火箭發射“進步”系列飛船。自1973年起，均由聯盟-U火箭執行“進步”系列飛船的發射任務。上一次使用聯盟-2.1a火箭發射“進步”飛船非常成功，將進步M-25M飛船幾乎毫無偏差地送入目標軌道，顯示了新型號火箭的出色能力。

俄羅斯主力“聯盟”系列火箭衍生自冷戰時期研制的R-7導彈。聯盟-2.1a是“聯盟”系列火箭的新型號，與此前的“聯盟”型號火箭幾乎相同，只將控制系統從模擬式升級到數字式，可提高火箭的靈活性和穩定性。

貨運飛船

從1973年開始，“禮炮”系列空間站的研制方TsKBEM（現名為俄羅斯S.P.科羅廖夫能源火箭航天集團公司）先后研制并發射了“進步”、進步M和進步M1三種型號的貨運飛船，至今成功發射過各型號的“進步”系列貨運飛船149艘。現役的進步M-M是進步M的子型號，于2008年首飛，采用三艙設計，能夠獨立飛行30天。按照2015年公布的最新計劃，將于今年11月升級為進步-MS，并繼續執行“國際空間站”貨運任務，每艘飛船外部安裝4個發射貨柜，每次可發射24顆立方體衛星。

進步M-27M飛船共攜帶了879kg推進劑、49kg氧氣、42kg水和1418kg干貨。干貨包括備用配件、補給品和科學實驗材料。“進步”系列貨運飛船運送每千克貨物的成本為22000～25000美元。