美國運載火箭失利對我國火箭研制的啟示

◎北京宇航系統工程研究所 牟宇 徐利杰 秦旭東

美國運載火箭失利對我國火箭研制的啟示

◎北京宇航系統工程研究所 牟宇 徐利杰 秦旭東

運載火箭作為復雜巨系統的典型代表，具有技術難度大、飛行環境惡劣、系統構成復雜等特點，但作為航天高價值有效載荷的運載工具，高可靠性始終是對運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的失利情況，剖析其故障機理，以期獲得它山之石可以攻玉的效果，為我國運載火箭的研制提供借鑒。

一、美國運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品研制經驗，研制的第一型運載火箭Falcon 1在歷經3次飛行失利之后才獲得成功。

2006年3月24日，Falcon 1火箭首飛發射“獵鷹星”2號技術驗證衛星失敗。調查分析結果顯示，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裂縫，導致燃料泄漏使發動機在發射34秒后停止工作。2007年3月21日，Falcon 1火箭的第2次發射仍然失敗。根據飛行數據分析的結果發現，火箭發射過程中發生多處異常情況，包括火箭第一級軌道性能問題、第二級推進劑利用問題、級間分離時發生碰撞問題、第二級控制問題等。2008年8月3日，在第3次發射任條中，因火箭一級發動機關機后的后效推力仍對火箭一子級產生加速作用，導致一、二級相撞，飛行失利。

2015年6月28日，Falcon 9火箭在肯尼迪航天中心的LC-40工位發射，執行第7次國際空間站商業貨運補給服條任條。火箭飛行至139秒，箭體在空中發生解體。SpaceX公司在經過對飛行數據的詳細分析后，將故障定位于二級氧箱內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生斷裂，導致氣瓶沖撞貯箱殼體，造成高壓氦氣快速泄漏，進入氧箱使其壓力上升，在短短的0.9秒時間之內造成貯箱結構破壞，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驗，在推進劑晃動、發動機后效計算等方面表現出缺乏相應的設計經驗，暴露了在動力系統單點失效環節、介質相容性分析等質量管理及風險控制手段上尚欠火候。

Falcon 9系列火箭的連續成功表現出了私營商業航天公司難得的高可靠性，然而第19次發射任條的失利也再次應證了“成功就是差一點的失敗”的名言，暴露了其在影響火箭飛行成敗的單點失效環節識別上還存在漏洞，未對諸如氣瓶支架等小尺寸結構產品的環境適應性引起足夠的重視，同時也顯現出私營商業航天公司在追求商業利益的同時，忽視了對其產品可靠性的要求，針對支架內產品缺乏充分的地面試驗驗證，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，聯合發射聯盟（ULA）的Delta 4H火箭從卡納維拉爾角37號發射工位起飛，經過5小時50分鐘的飛行后Demosat載荷成功分離，但是軌道比預計軌道要低。飛行中，雖然助推和中心主發動機均安裝了液氧耗盡關機傳感器，但都比計劃的關機時間提前了6秒。這導致二子級第一次點火的時間比預計的要長，載荷未能進入預定軌道。

ULA在發射出現事故后便啟動了異常調查，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的汽蝕。汽蝕效應（空泡）延伸到了發動機耗盡關機傳感器的位置，導致傳感器顯示貯箱中的燃料已耗盡，發動機提前關機，而事后的貯箱飛行液位數據顯示，貯箱內還有足夠的推進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鍵環節未能全面識別，沒有針對相應環節開展冗余措施，提高整個系統的工作可靠性，并最終造成了飛行試驗的失利。

3.Taurus火箭

（1）飛行失利情況

2011年3月4日，“榮譽號”衛星搭乘軌道科學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，隨后遙測數據顯示三、四子級點火分離及衛星分離按照預定時序進行，但整流罩部分未脫離，最后導致衛星沒有足夠速度抵達預定軌道，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行“嗅碳”衛星發射任條失利，其失敗原因也是整流罩分離失敗。

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

（2）故障深層剖析

此次飛行任條失利表面上看是軌道科學公司在生產過程中未嚴格按照NASA的火工品設計要求，在生產過程中出現生產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公司在運載火箭研制和產品生產過程中未能很好地平衡可靠性與發射利潤的關系，在產品研制過程中未能實現對分離裝置從產品生產、工藝實現、試驗及測試的全流程質量管控。相關問題的反復出現也暴露出軌道科學公司在運載火箭研制領域的質量管控手段尚顯稚嫩，未能有效抓住問題關鍵環節從而徹底解決。

4.Antares火箭

（1）飛行失利情況

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

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

（2）故障深層剖析

在前期的發動機試車中曾經發生了一次爆炸故障，但未能引起軌道科學公司的足夠重視，造成了后續的慘痛失利。在火箭產品生產過程中需要關注多余物的控制，圍繞單機生產、裝配、測試、驗收、總裝等關鍵環節，并結合環境、人員、設備、工藝等因素，對多余物控制措施及產品質量進行檢查確認，保證產品質量。

此外，與SpaceX公司不同，軌道科學公司在關鍵的發動機研發方面主要基于對俄羅斯NK33發動機的引進和吸收，未能獲取其核心技術，這也造成公司在對發動機的質量管控上捉襟見肘，在已經發生試車故障的情況下仍未能有效定位產品設計隱患及缺陷，使得可能的發動機故障帶入飛行任條，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國，不管是像ULA這樣的傳統航天企業，還是像SpaceX這樣新型的私營商業航天公司均在飛行任條中出現了或多或少的失利。一方面說明航天領域高風險的特點，另一方面也說明發射可靠仍是各個公司持續追求的目標。

1.充分而全面的試驗尤為重要

不管是Falcon 1火箭出現的分離計算發動機后效偏差造成助推級碰撞二子級，還是軌道科學公司對Taurus火箭整流罩分離系統只進行縮比試驗造成整流罩未分離，都說明在運載火箭研制過程中進行充分而全面的地面試驗的重要性。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飛行驗證的新技術，地面試驗的試驗邊界不夠真實，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策劃時應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鍵技術得到試驗驗證。

2.單點失效環節的識別尤為重要

運載火箭搭載的高價值有效載荷發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失效環節，如Delta 4H火箭耗盡關機傳感器的誤關機信號、Falcon 9火箭貯箱內的高壓氣瓶支架等，若未有效識別，應在方案設計前期盡量采用冗余措施，對不能實施冗余的需要加強產品質量的過程監控和測試檢驗，才能確保不會付出飛行失利的慘痛代價。

3.動力系統是重點關注的環節

據統計，1990～2015年間的126次發射失敗中，由于推進系統故障導致失敗的共有64起，占全部發射失敗的51%。液體火箭發動機故障表現形式多為推力不足、點火失敗、提前關機，其主要原因為推進系統部件故障、有多余物以及燃燒不穩定等。因此，在火箭研制工作中應十分重視動力系統設計正確性的地面試驗驗證，嚴格控制生產過程質量，確保其滿足上天飛行的可靠性要求。