一次性運載火箭飛行失利量化分析研究

鄭立偉，秦 曈，何 巍，龍樂豪

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一次性運載火箭飛行失利量化分析研究

鄭立偉1，秦 曈1，何 巍1，龍樂豪2

（1. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

對1957~2014年全球29個一次性運載火箭系列的發射情況進行統計，從構型、故障子級、首飛、級數、規模、推進劑種類、故障所屬分系統、載人、故障原因等多個維度對國內外運載火箭發射失利情況進行了故障統計分析，在量化分析數據的基礎上，提出確保我國運載火箭高任務成功率的發展建議。

一次性運載火箭；飛行失利；量化分析

0 引 言

自1957年10月4日蘇聯衛星號運載火箭將第1顆人造地球衛星送入太空以來，世界各國爭先發展運載火箭技術，先后研制了幾十個系列上百種運載火箭，為人類航天活動的開展提供了重要保障。

由于各國運載火箭技術發展水平和質量管理體制不同，不同運載火箭的技術方案存在差異；不同歷史背景下運載火箭研制特點等因素也導致了各國的運載火箭技術發展命運的差異，有的成為運載火箭中的經典，如土星系列實現了100%的發射成功率，聯盟號系列火箭成為發射次數最多的火箭等，而有的火箭則以悲劇收場，如蘇聯N-1火箭4次發射全部失敗。

文獻[1]針對2007年以前國外月球探測任務失利情況進行分析，量化給出運載火箭、探測器以及測控網所占故障比例，并重點對運載火箭的故障系統進行對比分析；文獻[2]將不同年代研制的運載火箭進行劃代，并對2009年前大、中、小型火箭的故障情況進行研究。本文對1957年第1枚運載火箭發射至2014年12月31日7個運載火箭研制國、29個運載火箭系列全部5 133次發射中的飛行失利情況進行統計分析，從更多維度開展故障分析研究工作。

1 故障定義[3]

a）Ⅰ類：災難性失效。導致運載火箭系統喪失；系統不可恢復的失效，包括所有任務失效（如運載火箭發射過程中爆炸）；或導致人員傷亡的失效。

b）Ⅱ類：致命性失效。將使任務喪失；任務產品不可恢復的失效（如運載火箭未將有效載荷送入預定軌道，入軌偏差大等）；或導致人員、物資損傷的失效。

2 飛行失利故障分析

2.1 按系列構型統計分析

表1為按系列構型[4]統計的發射成功率對比情況。

表1 運載火箭系列構型成功率對比

美國土星系列火箭執行的28次發射任務均獲成功，俄羅斯安加拉系列火箭共執行2次驗證性發射任務也均取得成功，印度極地軌道衛星運載火箭系列和俄羅斯的聯盟號系列火箭以96.3%的成功率緊隨其后，長征系列火箭和阿里安系列火箭分別位居第7和第8的位置。

2.2 按故障子級統計分析

表2為故障發生在火箭不同子級的統計情況。需要說明的是，由于部分發射失利故障信息不全，對于無法查得故障所屬子級的以“不詳”表述（下同）。

表2 按故障所屬子級統計情況

按故障出現在火箭的不同子級進行劃分，火箭末級或上面級是出現故障的主要子級，第1級故障也是運載火箭發射失利的多發地帶。

2.3 按首飛故障統計分析

經統計，運載火箭新構型首次飛行試驗失利的為34次，占全部發射失利總數的8%，即意味著幾乎每10次發射失利中即有1次為首飛構型發射失利。

按年度劃分，20世紀60～90年代是首飛構型發射失利的高發期，特別是在20世紀60年代，平均每年會出現1次首飛構型的發射失利，這主要是由于在20世紀運載火箭發展初期，眾多未經地面試驗充分考核的新構型被投入發射，同時由于工藝不成熟、設計存在缺陷等原因，導致首飛構型發射屢遭失利。

圖1 首飛構型發射失利年代對比

2.4 按故障火箭級數統計分析

表3為按故障火箭構型的統計情況。

表3 按故障火箭構型級數統計情況

經統計，因兩級構型火箭故障導致任務失利的占失利總數的比例最大為46%，四級構型故障占21%，三級構型火箭所占比例在30%。上述數據表明，并不是火箭級數越多，出現故障的概率越大。

2.5 按故障火箭規模統計分析

對29個系列火箭按照重型、大型、中型和小型運載火箭進行劃分[5]，不同故障火箭規模的對比故障情況見表4。

表4 按故障火箭規模統計情況

對于不同規模的火箭，從失利次數角度分析，中型火箭失利次數最多，為197次；重型火箭失利次數最少。從不同規模火箭失利比例情況對比，小型運載火箭失利比例最高，為12%；大、中型運載火箭失利比例次之，分別占10%和6%；重型運載火箭失利比例最小。

上述數據未考慮蘇聯N-1火箭4次發射失利[6]，如果考慮N-1火箭情況，重型運載火箭失利比例為24%。之所以未統計N-1火箭的4次失敗，是因為當年在美、蘇競爭中蘇聯過分強調政治因素，忽視了科學規律的必然結果，屬于非正常現象，因此不應作為統計子樣。

2.6 按故障火箭推進劑種類統計分析

以固體、常規液體和低溫液體3種推進劑為基本單元，29個運載火箭系列所用推進劑的種類可分為7種類型（組合）。按照故障火箭所用推進劑種類的統計情況見表5。

表5 按故障火箭推進劑種類進行統計

由表5可見，對于選用單一推進劑的運載火箭，固體推進劑的任務成功率最低，常規液體推進劑的任務成功率最高；對于選用混合推進劑的運載火箭，常規+低溫推進劑的任務成功率最低，固體+常規推進劑的任務成功率最高。

2.7 按故障所屬分系統統計分析

運載火箭系統可劃分為：動力系統、控制系統、分離系統、箭體結構系統、測量系統等。按照故障所屬火箭不同系統的統計情況見表6。需要說明的是，經歸類劃分不屬于以上系統的“其他”表述，如地面錯發指令，對環境認識不足等均劃分為此類。

表6 按故障所屬分系統進行統計

按故障所屬系統統計，出現故障導致任務失敗的主要系統為動力系統和控制系統，分別占任務失利總數的38.1%和17.2%。

2.8 按載人運載火箭與非載人運載火箭統計分析

統計發現，1957~2014年全球共有3個國家進行了載人運載火箭發射，累計發射488次（不含蘇聯N-1的4次發射和航天飛機135次發射[7]，下同)，其中載人運載火箭發射最多的國家為蘇聯/俄羅斯，共432次，占全部發射的87%；其次為美國的56次，占11%；中國共進行11次載人運載火箭發射，占2%。

從以上載人運載火箭發射的成功率情況來看，載人運載火箭的任務成功率均大幅高于非載人運載火箭。除美國航天飛機外，未出現發射過程中出現故障導致宇航員死亡的情況，具體對比情況見表7。

載人運載火箭的任務成功率高于非載人運載火箭，這與載人運載火箭的高可靠性設計直接相關，冗余設計、容錯設計等一系列提高可靠性的設計手段均被應用于載人運載火箭；此外，載人運載火箭為了提高宇航員的安全性及適應性，開展了大量的地面試驗以及飛行試驗，對載人運載火箭的可靠性進行了充分驗證。

表7 載人與非載人運載火箭故障數量對比

2.9 按故障原因統計分析

按照故障產生的原因可分為6種，包括設計缺陷、工藝、環境、地面操作、元器件與材料以及其他。不同故障原因所占的比例情況見圖2。

圖2 按故障原因統計對比

按照故障原因統計，因元器件和材料原因導致任務失利的比例最大，占16%；設計缺陷和工藝所占比例分別為12%和9%；另有53%原因不詳。

3 結 論

提高火箭發射成功率一直是航天界矢志不渝的目標。然而火箭發射事故種類繁多，造成故障的原因千差萬別。本文通過對半個多世紀以來世界范圍內一次性運載火箭飛行失利的量化研究，分析其特點和規律，以期吸取歷史教訓，實行更為嚴格的質量控制措施，降低發生任務失利的可能性。

a）制定關鍵系統故障預防對策，提高火箭可靠性。

動力系統和控制系統是運載火箭中的核心系統，也是失敗率發生最高的兩大分系統。加強對動力系統和控制系統的質量控制，制定防范措施，對于提高火箭飛行可靠性至關重要。具體措施包括：1）充分認識兩大系統設計、仿真、生產、試驗體系中的關鍵環節，嚴格質量標準體系，加強過程控制，加強量化控制；2）高度重視技術狀態控制，做好技術狀態的閉環管理，不僅要掌握所有的狀態變化環節，還應系統全面地開展狀態變化影響分析；3）關注重點系統的技術狀態、產品狀態以及天地一致性差異，在關鍵環節做好檢查確認，確保動力和控制系統在火箭飛行過程中工作正常；4）高度重視地面試驗驗證，通過大量地面試驗驗證保障航天發射高成功率。

b）重視新構型火箭首飛前驗證，降低首飛風險。

統計發現，新構型火箭前3次飛行的失敗風險較大，如阿里安5G的前2次發射全部失敗，阿里安5ECA、德爾它4H、天頂號3SL的前3次發射中也各有1次失敗。分析原因，這些新構型火箭大多采用了新的方案和技術，如德爾它4H火箭捆綁2枚公用芯級作為液體助推器，較以往火箭結構變化較大；阿里安5ECA的失利則是由于新型發動機火神2的故障所致。由此可見，當研制一種新型火箭，尤其是大量采用新技術時，應更加注意研制過程中各個環節的質量控制，并增加驗證試驗次數和復檢工作。

c）關注低溫運載火箭研制和質量控制。

統計發現，采用低溫推進劑的運載火箭故障比例高于常規推進劑火箭。為了提高低溫火箭任務成功率，應采用更加嚴謹的質量控制措施。對于在役低溫運載火箭，對技術方案持續改進，從根本上杜絕Ⅰ、Ⅱ類單點故障模式，提高系統可靠性；完善火箭出廠前質量控制措施，提高系統測試覆蓋性；深化、細化、量化技術指標，對標梳理指標滿足情況，提前發現可能引起任務成敗的質量隱患。對于新研制的新構型低溫火箭，在方案設計過程中，要采用冗余設計、裕度設計和容錯設計等設計手段，高度重視地面試驗對技術方案正確性的驗證工作，制定合理的研制周期。

[1] 丁文華. 國外月球探測運載火箭故障分析[J]. 國際太空, 2007(9): 26-34.

[2] Tomei E J, Chang I S. 51 years of space launches and failures[C]. 60th International Astronautical Congress, 2009.

[3] 國防科工委頒布國家軍用標準和行業標準[J]. 航天標準化, 2005(1): 43-47.

[4] 魯宇, 等.世界航天運載器大全（第二版）[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2007.

[5] 秦旭東, 容易, 王小軍, 龍樂豪. 基于劃代研究的中國運載火箭未來發展趨勢分析[J]. 導彈與航天運載技術, 2014(1): 1-4.

[6] 佟艷春. 美、蘇/俄載人登月運載火箭特點分析[J]. 國際太空, 2009(5): 23-27.

[7] 盤點航天飛機的風雨30年[J]. 飛行器測控學報, 2011(4): 13, 42, 47.

The Quantification Analysis of Expendable Launch Vehicle Failures

Zheng Li-wei1, Qin Tong1, He Wei1, Long Le-hao2

(1. Beijing Institute of Aerospace Systems Engineerin, Beijing, 100076; 2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, China, 100076)

The failures of world’s major 29 serous of launch vehicles, from 1957 to 2014, are reviewed. This study takes many aspects into consideration, such as types, failure stage, maiden fights, stage number, capabilities, propellant categories, failure subsystem, manned vehicle and failure causes, to analyze the causes of failures of launch vehicles all over the world. Based on data quantification analysis, pertinent suggestions are provided for keeping the high mission success rate of China Long March series launch vehicles.

Expendable launch vehicle; Flight failure; Quantification analysis

1004-7182(2016)02-0055-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160212

V57

A

2015-09-30；

2015-11-02

鄭立偉（1980-），男，高級工程師，主要從事運載火箭總體設計