獵鷹－9火箭故障分析

龍雪丹 曲晶 姜舒展（ 北京航天長征科技信息研究所， 6886部隊）

美國太空探索技術公司（SpaceX）利用其主要產品獵鷹－9（Falcon－9）火箭在國際商業航天發射領域具備了較強的競爭力。該型火箭自投入使用以來已完成60次發射，獲得58次成功，以96.7%的完全成功率，得到業界認可，但期間也遭遇過兩次失利及一次部分成功。本文回顧了獵鷹－9火箭的歷次故障，并詳細介紹了美國國家航空航天局（NASA）對2015年發射故障的調查情況。

1 歷次故障情況

獵鷹－9火箭自投入使用以來，至2018年8月末共執行60次發射，其中58次完全成功，1次失敗，1次部分成功，另外還有一次在射前靜電火過程中發生爆炸事件，為SpaceX敲響了警鐘，商業發射的可靠性問題不容忽視。

一子級故障致次要任務未入軌

2012年10月7日，SpaceX公司的獵鷹－9火箭攜帶“龍”飛船和次要載荷——“第二代軌道通信衛星星座”（OG2）衛星在卡納維拉爾角空軍基地發射升空，首次正式執行國際空間站商業貨運任務。按計劃，火箭應在釋放“龍”飛船后經二子級第二次點火將OG2衛星送入預定軌道，但在火箭飛行約79s后，獵鷹－9火箭1臺一子級發動機突然失壓并關機，所幸故障發動機未發生爆炸，并能持續收到其數據，其他8臺發動機工作正常。因此，國際空間站任務未受影響。但由于火箭一子級發生故障，因此需延長火箭剩余發動機工作時間來保證完成空間站補給任務，最終造成火箭二子級二次點火燃料余量未達到NASA安全規定，SpaceX公司被迫放棄火箭二子級二次點火，次要載荷OG2衛星被迫置于錯誤軌道上，最終墜落地球。

事故原因現已查明，但限于NASA保密協議，SpaceX公司未公開故障原因。獵鷹－9火箭在飛行中遭遇一子級1臺發動機失效的考驗，但并未影響主要任務，證明獵鷹－9火箭系統的冗余設計和檢測調整系統是有效可行的。

使用外包產品程序不嚴格導致CRS－7發射失利

2015年6月28日， SpaceX的獵鷹－9－1.1火箭攜帶“龍”飛船及貨物升空，這是SpaceX公司的第7次國際空間站商業補給服務（CRS－7）,將要為國際空間站送去1952kg物資。然而發射當天，火箭在起飛2min19s后，頭部開始出現濃霧并逐漸包圍箭體，隨后開始有碎片迸出，“龍”飛船脫離火箭。發射后2min27s，火箭和飛船隨后劇烈爆炸，此時地面控制中心仍持續接收到來自“龍”飛船的遙測信號，直至其墜落至地平線以下。

CRS-7任務發生爆炸

2015年11月，SpaceX調查組向美國聯邦航空管理局（FAA）提交了故障調查最終報告。報告指出：在一子級工作期間，火箭二子級液氧貯箱中的復合材料纏繞壓力容器（COPV）支架失效，引起氦氣泄漏，最終導致液氧貯箱因壓力過大而破裂。該支架是由一家外部供應商提供的。

2018年3月12日，NASA獨立評估小組公布了事故的最終調查結論。 調查報告指出，SpaceX并未選擇采用標準更為嚴格的航空航天級部件，只選擇了工業級部件，并且在沒有對其進行充分的篩選或測試的情況下進行使用，沒有考慮制造商在使用其工業級部件時的4∶1安全系數的建議，并且沒有根據預估的飛行條件對部件進行適當的建模或適當的載荷測試。該設計錯誤與獵鷹－9火箭CRS－7任務發射失敗直接相關，最終釀成事故。

射前地面點火試驗事故造成星箭俱毀

2016年9月1日，SpaceX公司按照發射流程，在卡納維拉爾角空軍基地的第40發射工位（SLC－40）對獵鷹－9火箭進行整箭地面靜態點火試驗。為預計在9月3日進行的以色列AMOS－3衛星發射任務做準備。點火前8min，火箭在加注過程中出現意外，從火箭二子級開始起火爆炸，星箭俱毀。

經調查，事故原因是SpaceX改變了液氧貯箱內增壓氦氣瓶的充氣流程，采用了溫度更低的氦氣。氦氣瓶為復合材料纏繞壓力容器，內膽材料為鋁，外層包裹碳纖維復合材料，浸泡在－207℃的超低溫液氧。事故中采用的氦氣充氣流程會使超低溫液氧滲入碳纖維復合材料層與內膽之間并固化，引起碳纖維層與氧氣發生反應，導致氦氣瓶破裂爆炸。事故后，SpaceX公司將氦氣瓶充氣流程恢復至以往的技術狀態，提高氦氣溫度，并計劃改進氣瓶設計防止液氧滲入。

2 對CRS－7任務故障調查分析

兩個小組分別展開調查

在2015年故障發生后，根據美國聯邦航空管理局認證需求、NASA發射服務項目（LSP）合同要求和NASA相關政策要求，由SpaceX主導的故障調查委員小組（SpaceX AIT）和NASA獨立評估小組（NASA IRT）分別對事故進行了調查。

2015年11月，SpaceX調查組向美國聯邦航空管理局提交了故障調查最終報告。報告指出：在一子級工作期間，火箭二子級液氧貯箱中的氦氣瓶支架失效，引起氦氣泄漏，最終導致液氧貯箱因壓力過大而破裂。該支架是由一家外部供應商提供的。SpaceX公司因此對支架的設計方案進行了改進，并將支架材料更換為鎳基合金。

另一方面，NASA獨立評估小組對CRS－7任務中發生的失敗事件進行獨立調查。其主要職責包括：①獨立評估導致CRS－7任務失敗的事件（即，制定獨立的事件時間表，獨立審查故障樹，對遙測數據進行獨立評估）；②確保所提出的糾正措施得到落實；③驗證SpaceX AIT的調查工作；④通知NASA的風險狀態，以支持SpaceX重返發射活動；⑤確定并提出如何研發、運行和獲取更可靠系統的建議。

NASA獨立評估小組的調查

此次事故的異常事件發生在800～900ms的時間范圍內，因此，為了確定決定性事件的時序，NASA獨立評估小組對CRS－7任務的遙測數據進行了獨立分析，并獨立制定了毫秒級事件的詳細時間表，獨立分析了獵鷹－9系統，并評估了SpaceX的故障樹。除了獵鷹－9的二子級以外，評估小組還對SpaceX測試的所有可能引發關機的故障樹模塊（即一子級、推進系統、電氣、“龍”飛船系統等）進行了獨立分析、評估和審查。NASA獨立評估小組對獵鷹－9系統的評估完全獨立于SpaceX，對整個飛行過程中各個系統的遙測數據做出獨立的判斷，并通過多個工程審查委員會來審查獵鷹－9系統和數據。最后，NASA獨立評估小組得出結論，除了二子級故障樹模塊之外的所有模塊都可能造成關機，基于對發射前和發射過程中收集的獵鷹－9遙測數據的詳細評估和分析，以及對捕獲發射和失敗的攝影和視頻媒體的審查，確定獵鷹－9故障的直接（或近似）原因是二子級氧箱的破裂。NASA獨立評估小組還對SpaceX調查組開發和研究的“主要失效情景”（即：二子級氧箱內的COPV失去固定，并擊中氧箱箱底圓頂導致其破裂）進行了獨立的詳細審查。

此外，經過對其他可能發生的失效模式進行研究，評估小組最終確定兩種可能失效模式，其中每一種都可能促成COPV失去固定或與其同時發生。對這兩種故障模式描述如下：液氧輸送管路的隧道管可能發生泄漏，該泄漏從二子級的液氧箱向下通過二子級煤油箱并最終進入二子級發動機。

故障模式1：假設煤油（RP－1）泄漏到液氧輸送管路外部的隧道管，使液氧升溫，從而導致液氧噴出。然而，通過熱分析很快確定了（泄漏到液氧輸送管路外部隧道管的）RP－1的熱量不足以影響到液氧輸送管路中的液氧溫度。后經過建模和分析發現，在RP－1未泄漏至液氧輸送管路外部的隧道管之前，液氧已從輸送管路泄漏至隧道管。這樣，環繞在液氧輸送管路周圍的RP－1就能夠傳遞足夠的熱量使液氧氣化，并最終溢出。這成為了故障模式2。評估小組迅速利用馬歇爾太空飛行中心的資源，建立了一個實驗室，并進行了測試，以驗證該故障模式中的熱傳遞的假設。經過為期兩周的測試后，評估小組能夠確定故障模式2中有更多的熱量傳遞，但仍不足以在800～900ms的時間范圍內發起噴射事件。

NASA獨立評估小組最終驗證了大部分在800～900ms失效時間段內得到的115個遙測數據（但仍有9個數據沒有被驗證），得出的最終結論為：

1）二子級氧箱破裂的直接原因是二子級氧箱內的 COPV脫離固定。

2）引發的原因是支撐COPV的軸向支撐失效，繼而COPV脫離固定，最終導致二子級氧箱內的氣態氦（GHe）輸送管路系統破裂。

3）COPV軸向支撐支柱的螺紋鑄造不銹鋼吊環螺栓（桿端）在上升載荷作用下斷裂，從而使COPV從其支座脫離，由于浮力而加速，從而以巨大的力量沖擊氧箱箱底。

4）值得注意的是，NASA獨立評估小組與SpaceX調查組的調查結果顯示的直接原因是一致的，不同之處在于事故的根本原因。SpaceX公司在其調查報告中將“材料缺陷”標識為桿端斷裂的“最可能”原因，然而，NASA獨立評估小組并不認為“材料缺陷”是“最可能”的原因，而是將“桿端制造損壞”、“桿端支柱錯誤安裝”、“桿端附帶損傷”和“軸向撐桿其他部位斷裂”均視為導致COPV失去支撐的可疑因素。最后NASA獨立評估小組認定：此次失敗是由于設計錯誤導致的，即：SpaceX公司在關鍵部件上選擇使用工業級（不同于航天級）17-4 PH SS（沉淀硬化不銹鋼）鑄件（桿端）。并在未對工業級部件進行充分的篩選或測試的情況下進行使用，未考慮制造商對使用其工業級部件時的4∶1安全系數的建議，并且未根據預估的飛行條件對部件進行適當的建模或適當的載荷測試。這種設計錯誤與獵鷹－9火箭CRS－7發射失敗直接相關。

液氧箱中的桿端、支柱和氫氣瓶

5）雖然NASA LSP沒有對SpaceX CRS計劃進行評估，但由于LSP已向SpaceX授出“高價值”NASA有效載荷的發射服務合同，并且SpaceX公司近期正在進行NASA“二類載荷”發射認證活動,因此 NASA LSP對獵鷹－9－1.1火箭已經進行了充分調研。

6）糾正措施還解決了SpaceX和NASA LSP調查過程中發現的其他問題。

7）該結論同時適用于獵鷹－9－1.2火箭。

最終技術結論和建議

結合故障調查的最后結果,NASA獨立評估小組給出了具體的技術結論和建議。如果全面實施，能夠防止類似的故障再次發生，并提高獵鷹－9運載火箭的可操作性。

NASA獨立評估小組識別的技術結論

NASA獨立評估小組識別的技術建議

3 小結

SpaceX公司成立不過短短的16年時間，就已在世界范圍內掀起了波瀾和震動，其主要競爭力來自于其金牌產品——獵鷹－9火箭。若該公司想在世界航天發射市場上繼續占據優勢，贏得用戶的信賴，就必須保持較高的完全成功率，證明其高可靠性。

對其歷次故障情況回顧能夠發現，獵鷹－9火箭系統的冗余設計和檢測調整系統整體來講是有效可行的。造成失利的原因往往是由于新技術、新材料的應用以及對選用部件的質量控制沒有做到位。

從2015年CRS－7故障調查過程可以看出，NASA在對商業發射事故調查中遵循了美國聯邦航空管理局認證需求、NASA發射服務項目合同要求和NASA相關政策要求，由SpaceX主導的故障調查委員小組和NASA獨立評估小組分別對事故進行調查，最終給出具有可行性的改進措施，從而保證事故調查的全面性、準確性和客觀性。