進步 MS－04貨運飛船發射失敗原因分析

徐映霞 王霄 （北京空間科技信息研究所）

進步 MS－04貨運飛船發射失敗原因分析

Analysis on the Reasons of Launch Failure for Cargo Ship Progress MS－04

徐映霞 王霄 （北京空間科技信息研究所）

莫斯科時間2016年12月1日，聯盟－U（Soyuz－U）運載火箭搭載進步 MS－04（Progress MS－04）貨運飛船從哈薩克斯坦拜科努爾發射場發射升空，原計劃于12月3日對接“國際空間站”（ISS）星辰號（Zvezda）服務艙。然而，在起飛后383s時，火箭遙測突然消失。這是俄羅斯一年半以來發生的首次重大航天事故。初步掌握的資料顯示，本次事故讓俄羅斯航天國家集團（ROSCOSMOS）蒙受超過40億盧布（約合6300萬美元）的經濟損失。2017年1月11日，俄羅斯航天國家集團宣布了進步 MS-04貨運飛船發射失敗的可能原因。

1 事故基本情況及原因初步分析

事故基本情況

此次任務計劃采用在軌飛行2天、繞地球34圈的飛行程序，正常情況下，飛船應于莫斯科時間12月3日17：18：23開始與“國際空間站”自主交會過程，于19：43：06對接星辰號服務艙。

聯盟－U火箭和進步 MS－04貨運飛船在垂直起飛后，以51.66°的軌道傾角朝赤道飛行。第一級的4個助推級在飛行118s時與火箭分離，第二級點火，大約飛行159s時拋離整流罩，飛行285s時第二級關機，由第三級繼續提供飛行動力。直到382s一直處于正常飛行狀態，然而383s時火箭遙測突然中斷。

俄羅斯任務控制中心的報道稱，根據聯盟－U火箭的標準上升剖面，第三級火箭的RD－0110發動機應在飛行8min46s時關機，3s后與“進步”飛船分離，但這兩個發射成功的標志性事件在實時遙測讀數中均未得到確認。俄羅斯國家航天集團在12月1日的聲明中也確認，與火箭的通信在飛行6min23s時中斷，此時“聯盟”火箭的高度預計約190km，火箭第三級本應繼續點火2min23s。

在預期的分離時間之后收到飛船的間歇信號，確認“航向”（KURS）導航天線已展開，但未能確定太陽電池翼是否展開，只能使用無線電跟蹤來確定飛船的軌跡。

另據俄羅斯媒體報道，在距拜科努爾航天發射場約2000km的圖瓦共和國人口稀少的偏遠地區上空觀測到一次爆炸，地面震顫，伴有碎片墜落，爆炸時間和地點與聯盟－U火箭第三級的飛行軌跡剛好吻合。在圖瓦的偏遠林區還發現了進步 MS－04飛船的殘骸。

莫斯科時間20：39，俄羅斯航天國家集團宣布其跟蹤設施未在預定軌道監測到進步 MS－04飛船。根據初步信息，發射異常發生在圖瓦共和國人煙稀少和崎嶇區域、高度190km的上空，大部分飛船碎片在再入大氣層時燒毀。

此次發射是聯盟－U火箭退役前的倒數第二次發射，最后一次計劃在2017年初發射，之后將由新一代聯盟－2系列火箭替代。此次發射是2016年俄羅斯第3次、也是最后一次向“國際空間站”運送貨物，同時這是“進步”飛船第156次執行貨運任務，也是第67次執行“國際空間站”貨運任務。

初步分析

俄羅斯航天國家集團已經成立了調查委員會，著手調查聯盟－U運載火箭通信異常的原因。初步分析顯示，直至飛行383s遙測數據消失前沒有發現任何問題。

2017年1月11日，俄羅斯航天國家集團宣布了進步 MS－04貨運飛船發射失敗的可能原因。這次事故是由于聯盟－U火箭第三級與飛船未能按計劃分離導致。第三級火箭的RD－0110發動機（編號為11D55）出現故障，導致氧化劑泵起火并解體之后，運載火箭第三級氧化劑貯箱解體。氧化劑泵起火并解體的原因可能是由于11D55發動機裝配過程中的違規行為，使泵腔內摻入外來的顆粒物，使得該泵的軸與連接套筒之間、浮動密封環和葉輪之間出現錯誤間隙，從而導致轉子失衡并震動。

“進步”飛船近年發射故障情況

近年來，“進步”飛船遭遇3次失敗。第一次是在2011年8月聯盟－U火箭發射進步 M－12M飛船時發生的，當時調查委員會確定的事故原因是：推進劑管路堵塞，導致RD－0110發動機推進劑壓力下降，箭載計算機檢測到壓力下降后，發指令使火箭第三級提前325s關機。

“進步”飛船第二次故障是在2015年4月發射進步 M－27M飛船時發生的，火箭第三級關機時，改進的第三級結構和進步 M－27M飛船之間出現意外碰撞，導致飛船嚴重受損。雖然飛船已經入軌，但無法從失控狀態恢復，因而未能完成貨運任務。

此次發射最初定于2016年7月1日，但隨后“國際空間站”的一系列任務均遭遇推遲，使發射時間推遲到10月20日，之后再次推遲到2016年12月1日。

進步 MS－04飛船最后的發射準備活動是從11月17日開始的。11月22日完成飛船的推進劑加注。11月24日，飛船安裝到運載火箭適配器上。1天后，對飛船進行最終檢查，然后將飛船裝到整流罩內。11月27日，有效載荷段開始與火箭第三級集成，然后上面級組合體與聯盟－U火箭連接。全部組裝完成后的第二天，運載火箭移到發射臺。

聯盟－U火箭和用于發射“聯盟”載人飛船的聯盟－FG火箭都使用同樣的“弗雷蓋特”（Fregat）上面級，2周前發射聯盟 MS－03飛船、6周前發射聯盟 MS－02飛船時，上面級都表現出卓越的性能。

2 聯盟－U火箭及進步 MS－04飛船介紹

聯盟－U火箭

“聯盟”系列運載火箭由進步國家火箭航天科研中心（TsSKB-Progress）研制，從R－7導彈發展而來。聯盟－U火箭于1973年首飛，已經服役40余年，飛行次數達775次，成功率超過97%，是服務年代最長、軌道發射次數最多的火箭，并且被認為是發射市場最可靠的火箭之一。“聯盟”系列火箭是目前唯一具備“國際空間站”載人運輸能力的運載火箭。

目前，“聯盟”系列火箭還有聯盟－U、2、FG火箭在用。俄羅斯官方計劃停用聯盟－U火箭，從2014年開始逐步由更先進的聯盟－2系列火箭替代。聯盟－2系列火箭上使用了現代化的飛行控制和制導系統，改進了制造過程，聯盟－U火箭上的許多部件仍將在聯盟－2系列火箭上繼續使用。

聯盟－U本身用于近地軌道和太陽同步軌道發射，增加上面級后，可用于包括地球同步轉移軌道的多種軌道發射。目前，聯盟－U火箭主要用于“進步”貨運飛船發射，完成“國際空間站”運輸補給任務，偶爾也用于發射軍事偵察衛星。

進步 MS－04飛船

進步 MS飛船在進步 M－M飛船的基礎上，使用了數字航空電子設備。飛船包括3個艙：貨艙、補給燃料艙和儀器-服務艙。

進步 MS飛船使用新的航向－NA（Kurs－NA）交會系統替代了原來的航向－A交會系統，以提高對接過程的可靠性和安全性；并用AO－753A型天線替代2AO－VKA和AKR－VKA型天線，保留了原來的2ASF－M－VKA天線；新的SUD飛行控制系統可通過俄羅斯“全球衛星導航系統”（GLONASS）導航衛星自主測量交會軌跡，不需再通過地面站進行測量；通信系統使用無線電指令系統（EKTS）取代了老的量子－B（Kvant－B）系統，從而能夠通過“射線”數據中繼衛星實現飛船與俄羅斯地面站的實時聯絡，地面站既可通過“射線”衛星，也可直接向飛船發送命令并接收遙測數據；飛船還增加了流星體防護系統、閃電防護系統、新的發光二極管照明系統SFOK、改進的BDUS－3A型角速度傳感器；對接口增加了備用電動驅動機構；采用新的數字電視系統取代了舊的“交喙鳥”（Klest）模擬電視，飛船和空間站可通過船上無線電頻道聯絡。

另外，從第3艘進步 MS飛船開始，飛船可選裝立方體衛星釋放裝置。

此次，進步 MS－04飛船載有2442kg的貨物，包括用于俄羅斯航天員艙外活動的改進型海鷹-國際空間站航天服（Orlan－MKS）、微型溫室以及水和尿循環使用實驗系統等。

3 后續影響

“國際空間站”內的6位航天員在12月1日已經得知進步 MS－04貨運飛船發射失敗，并且處之泰然。目前在沒有貨物到達的情況下，“國際空間站”內的必備物品儲備足以用到2017年3月，水和食物等關鍵物資可維持到2017年6月初。

2016年12月9日，日本成功發射了H－2轉移飛行器，并于12月13日與“國際空間站”成功對接。后續的運輸補給計劃包括：2017年3月發射軌道-ATK公司的“天鵝座”飛船，2017年初，太空探索技術公司（SpaceX）的“龍”飛船也將回歸發射。俄羅斯的“進步”飛船原定于2017年2月1日再度發射，但可能會因此次發射失敗而調整。后續發射次數也會根據空間站貨物儲存狀況調整，需要的話會在現有的基礎上有所增加。

另外，“聯盟”火箭分別在2016年10月19日和11月17日將6名航天員運達“國際空間站”，最早的返航時間應在2017年5月中旬，因此，即使此次“聯盟”火箭的故障分析需要持續一段時間，也應不會影響航天員的運送。

4 幾點分析

進步 MS－04失事前的2016年11月27日，俄羅斯副總理德米特里·羅戈津還在政府工作會上表示，目前俄羅斯已經擺脫了“失敗、令人遺憾的事故與災難的陰霾”。回顧俄羅斯近年來航天工業發展，不難看出，航天事故并非“偶然”，仍有其深層次原因。

改革治標不治本，質量監管不到位

2011年以來，俄羅斯連續發生的5次重大航天事故引起高層官員高度重視，此后，俄羅斯開始逐漸探索本國航天工業的改革之路。2014年，俄羅斯總統普京批準羅戈津的改革提案，組建聯合-火箭航天集團（ORKK）開啟首輪改革，主要包括股份制改造，產品轉型升級，企業重組合并，希望通過建立現代的企業制度來提升管理效率，增強競爭力。2015年，俄羅斯開啟第二輪改革，撤并俄羅斯聯邦航天局（Roscosmos）和聯合-火箭航天集團，成立俄羅斯航天國家集團，以期通過建立兼具“行政職能”和“企業角色”的國家集團來提升競爭力，恢復航天大國實力。

但實際上，俄羅斯的航天工業改革雖然“大刀闊斧”，卻未能根治內部頑疾。質量監管不到位，俄羅斯在軌測試和運行中暴露出來的航天器故障問題越來越多，大多數都歸因于缺少地面試驗，過分依賴計算，沒有進行全尺度的試驗，同時俄羅斯航天的整個試驗基礎設施也過于陳舊，亟待更新和重建；俄羅斯國產設備技術水平不足和技術實際應用程度低的現象一直存在，如今設備和技術老化的缺陷已是有目共睹；此外，俄羅斯航天業內部貪污腐敗不絕，一系列航天事故的發生牽扯出航天業內部貪污腐敗案件，貪腐問題仍然十分嚴重；改革之后，行業內部得到統一，但壟斷現象更加嚴重，原本應受到扶持的私人航天企業無法得到切實發展，航天商業化發展艱難且緩慢，外部競爭全部來自其他國家，本國相關企業不存在競爭，這對企業自身發展并無益處。

預算經費不足，人才斷檔嚴重

對于俄羅斯航天目前存在的問題，俄羅斯航天研究院院士謝爾蓋·茹科夫認為，俄羅斯航天業當前的瓶頸主要在于機制缺乏、人才斷檔和經費緊張。政府、科研機構和企業之間協調機制建設滯后，長期以來，俄羅斯航天局（現俄羅斯航天國家集團）需要自己制定發展目標并承擔責任，所以傾向于選擇保守路線。俄羅斯國家杜馬工業委員會主席索布科稱，20世紀90年代，航天領域許多科學家和工程師失業改行，導致現在能夠擔任業務骨干和核心領導的技術人員明顯不足。據俄羅斯《武器出口》雜志報道，目前俄羅斯航天領域一線工作人員中奇缺中年專家，有40%以上年齡超過60歲，另有35%為年輕人。

目前，俄羅斯面臨的復雜經濟形勢無疑讓航天事業雪上加霜。2015年，俄羅斯用于航天領域活動的政府財政預算減少了10%。《2016－2025年聯邦航天計劃》的預算從2萬億盧布削減到約1.4萬億盧布。由于預算總額減少以及匯率變化等原因,俄羅斯航天國家集團公司還被迫削減了2016－2025年“國際空間站”維護費用近300億盧布，計劃將每年發射4次“進步”貨運飛船減少至每年3次。經費總額減少導致研發經費不足，進而導致整個生產研制過程無法達到預計標準。

王曉宇/本文編輯