俄羅斯聯(lián)盟－FG火箭發(fā)射載人飛船失利分析

張綠云（北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所）

北京時(shí)間2018年10月11日16：40，聯(lián)盟－FG（Soyuz－FG）運(yùn)載火箭搭載聯(lián)盟 MS－10載人飛船，從位于哈薩克斯坦的拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，火箭起飛后約2min發(fā)生故障，緊急啟動(dòng)應(yīng)急逃逸系統(tǒng)，整流罩?jǐn)y帶飛船軌道艙和返回艙脫離火箭，隨后返回艙開(kāi)啟降落傘，航天員安全著陸，但發(fā)射任務(wù)失敗。本次任務(wù)是聯(lián)盟－FG火箭自使用以來(lái)的首次發(fā)射事故，也是世界載人航天史上逃逸塔分離之后首次使用整流罩分離發(fā)動(dòng)機(jī)挽救了航天員的生命。

1 發(fā)射情況

北京時(shí)間2018年10月11日，俄羅斯聯(lián)盟－FG火箭搭載聯(lián)盟 MS－10載人飛船從拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火起飛。飛船機(jī)組乘員分別為俄羅斯航天員阿列克謝·奧夫齊寧和美國(guó)航天員尼克·黑格，奧夫齊寧是第二次執(zhí)行航天任務(wù)，而黑格則是首次升空。按計(jì)劃，飛船擬采用快速對(duì)接模式，于發(fā)射后6h與“國(guó)際空間站”對(duì)接，2名航天員進(jìn)入空間站后將使空間站人數(shù)增加至5人。

在聯(lián)盟－FG火箭起飛幾分鐘后，飛船機(jī)組人員報(bào)告火箭“失效”，稱感覺(jué)到失重，隨后啟動(dòng)了應(yīng)急逃逸系統(tǒng)，以彈道式再入方式返回地球。發(fā)射后約40min，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）稱，搜救人員已在趕往哈薩克斯坦中部城市杰茲卡茲甘以東約20km的預(yù)計(jì)落區(qū)。此外，俄軍方投入4架米－8直升機(jī)從哈薩克斯坦境內(nèi)的機(jī)場(chǎng)起飛進(jìn)行搜救。火箭起飛后90min，在搜救人員的幫助下，2名航天員成功出艙。據(jù)報(bào)道，2名航天員在著陸過(guò)程中經(jīng)受了6gn～7gn的過(guò)載。

原計(jì)劃的聯(lián)盟 MS－10飛船發(fā)射時(shí)序

“聯(lián)盟”火箭發(fā)射故障

航天員成功著陸

“聯(lián)盟”載人飛船降落

安全返回后的航天員

據(jù)報(bào)道，故障發(fā)生在1A飛行階段，即逃逸塔分離后至整流罩分離前期間。安裝在火箭一子級(jí)上的角速度傳感器探測(cè)到一子級(jí)姿態(tài)誤差超過(guò)7°，之后發(fā)出故障指令。乘員駕駛艙控制臺(tái)面收到故障指令之后，安裝在整流罩上的2個(gè)（共4個(gè)）固體推進(jìn)器啟動(dòng)，另外2個(gè)推進(jìn)器在0.32s后啟動(dòng)。在火箭飛行至122s、飛行高度為50km處，飛船與箭體脫離。在火箭飛行至160s時(shí)，返回艙與軌道艙分離，進(jìn)入自由落體狀態(tài)。在任務(wù)控制人員的指示下，機(jī)組乘員啟動(dòng)彈道降落模式，大約30min之后，返回艙成功著陸。俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)（Roskosmos）發(fā)推特稱：“應(yīng)急逃逸系統(tǒng)發(fā)揮了作用，飛船得以在哈薩克斯坦境內(nèi)降落，……，機(jī)組人員還活著。”俄羅斯總統(tǒng)發(fā)言人佩斯科夫也對(duì)記者說(shuō)：“謝天謝地，航天員還活著。”NASA局長(zhǎng)布萊斯登坦也就此事發(fā)表了一份聲明，強(qiáng)調(diào)機(jī)組安全的重要性，稱2名航天員狀況良好，并稱事故原因會(huì)得到徹底調(diào)查。

2 故障原因分析及事件影響

故障原因分析

11月1日，聯(lián)盟－FG火箭發(fā)射故障調(diào)查委員會(huì)主席斯科羅波加托夫在莫斯科郊外的俄羅斯任務(wù)控制中心舉辦的一場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)上稱，此次發(fā)射失敗系因用于火箭助推級(jí)和一子級(jí)分離的一臺(tái)傳感器有部件在拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)組裝過(guò)程中受損所致。分離傳感器變形致使一個(gè)助推器的噴嘴蓋未能在火箭起飛后118s打開(kāi)，導(dǎo)致該助推器未能與一子級(jí)正常分離，其頭部與一子級(jí)燃料箱部位相撞，火箭姿態(tài)失控，從而引發(fā)飛船應(yīng)急著陸。

事件影響

本次發(fā)射是俄羅斯35年來(lái)發(fā)射載人飛船時(shí)首次出現(xiàn)發(fā)射故障，對(duì)俄羅斯載人航天安排造成了一定的影響。

俄羅斯計(jì)劃在本次聯(lián)盟 MS－10飛船發(fā)射之后，在2018年12月20日發(fā)聯(lián)盟 MS－11載人飛船，確保“國(guó)際空間站”的正常運(yùn)行。而因?yàn)楸敬伟l(fā)射失敗，2名航天員未成功進(jìn)入“國(guó)際空間站”，而空間站現(xiàn)有的3名航天員因2017年6月6日發(fā)射的聯(lián)盟MS－09飛船在軌壽命只有200天，需在12月底前返回地面。為在保證火箭質(zhì)量的前提下確保“國(guó)際空間站”不出現(xiàn)無(wú)人職守的局面，俄羅斯載人航天項(xiàng)目進(jìn)行了重新安排。根據(jù)俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)10月17日公布的消息，俄航計(jì)劃10月25日、11月3日和11月中旬，進(jìn)行2次聯(lián)盟－2火箭的衛(wèi)星發(fā)射和1次聯(lián)盟－FG火箭的進(jìn)步 MS－10貨運(yùn)飛船發(fā)射，之后在11月28日－12月3日，重新采用聯(lián)盟－FG火箭發(fā)射聯(lián)盟 MS－11載人飛船。目前，俄羅斯已經(jīng)按計(jì)劃在10月25日和11月3日成功完成了“聯(lián)盟”火箭的復(fù)飛，如果進(jìn)步 MS－10貨運(yùn)飛船發(fā)射順利，俄羅斯載人航天任務(wù)有望在2018年年底前進(jìn)行。

3 聯(lián)盟－FG火箭及應(yīng)急救生系統(tǒng)

聯(lián)盟－FG火箭

二級(jí)型聯(lián)盟－FG火箭是聯(lián)盟－U火箭的改進(jìn)型，改進(jìn)了助推器和一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴注器，提高了性能。該火箭由俄羅斯進(jìn)步國(guó)家航天火箭科研生產(chǎn)中心研制與制造，是俄羅斯的載人型運(yùn)載火箭，2001年成功首飛，截至目前進(jìn)行了55次載人飛船發(fā)射，除了本次發(fā)射失敗，均獲得成功。此外，為了滿足商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射需求，聯(lián)盟－FG火箭還可以加裝“弗雷蓋特”（Fregat）上面級(jí)。該構(gòu)型于2003年成功首飛，截至目前共進(jìn)行了10次衛(wèi)星發(fā)射。

聯(lián)盟－FG火箭采用的模擬控制系統(tǒng)大大限制了其運(yùn)載能力，計(jì)劃2019年由聯(lián)盟－2火箭代替。

應(yīng)急救生系統(tǒng)

為了保障航天員的安全，聯(lián)盟－FG運(yùn)載火箭采用了應(yīng)急救生系統(tǒng)，其主體是安裝在載人火箭最頂端的逃逸塔，直接與包裹在整流罩內(nèi)的載人飛船相連接，用于火箭準(zhǔn)備發(fā)射至逃逸塔分離前“聯(lián)盟”飛船的緊急逃生。

聯(lián)盟－FG火箭結(jié)構(gòu)圖

聯(lián)盟－FG火箭性能參數(shù)

逃逸塔工作程序

逃逸塔包括3種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：主發(fā)動(dòng)機(jī)、控制發(fā)動(dòng)機(jī)和分離發(fā)動(dòng)機(jī)。主發(fā)動(dòng)機(jī)裝在整流罩的上方，推力為785kN，工作時(shí)間約為5s，可將整流罩及其內(nèi)部的軌道艙和返回艙迅速拉離運(yùn)載火箭約1km處。主發(fā)動(dòng)機(jī)共有12個(gè)噴管，沿圓周均勻配置，噴管軸線與縱軸的夾角為30°。在這12個(gè)噴管上方裝有4臺(tái)小型控制發(fā)動(dòng)機(jī)。它們?cè)谥靼l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后才啟動(dòng)，用來(lái)使被營(yíng)救的系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎飛向一側(cè)，落點(diǎn)距發(fā)射臺(tái)約3km，以脫離險(xiǎn)區(qū)。在4臺(tái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)上方有一個(gè)半球形小整流罩，位于最上端的是分離發(fā)動(dòng)機(jī)。分離發(fā)動(dòng)機(jī)最后點(diǎn)火，使頭部整流罩脫離返回艙。然后，返回艙用降落傘和軟著陸發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)軟著陸。為保證被營(yíng)救的系統(tǒng)能在規(guī)定的方向上穩(wěn)定降落，不僅在分離發(fā)動(dòng)機(jī)噴管上裝有配重，而且在整流罩上部結(jié)構(gòu)上裝有4個(gè)柵格穩(wěn)定翼。它們平時(shí)緊貼在整流罩外殼上，緊急情況下則展開(kāi)并保持與飛行方向垂直。

“聯(lián)盟”火箭逃逸塔的具體工作步驟：

1）運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)；

2）“聯(lián)盟”飛船軌道艙、返回艙和整流罩上部結(jié)構(gòu)一起同飛船儀器艙解鎖分離；

3）主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，被營(yíng)救系統(tǒng)迅速上升，脫離運(yùn)載火箭；

4）控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，被營(yíng)救系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎脫離飛行軌道并轉(zhuǎn)動(dòng)至呈垂直狀態(tài)；

5）主發(fā)動(dòng)機(jī)燃盡，被營(yíng)救系統(tǒng)的垂直速度接近零值；

6）返回艙同軌道艙脫開(kāi)；

7）分離發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，逃逸塔、整流罩上部結(jié)構(gòu)和軌道艙同返回艙分離；

8）自動(dòng)定位系統(tǒng)對(duì)返回艙進(jìn)行定位；

9）投棄返回艙上的防熱底蓋和降落傘口蓋；

10）打開(kāi)降落傘，返回艙下落并測(cè)定其距地面的高度；

11）軟著陸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，實(shí)施軟著陸。

聯(lián)盟－FG火箭飛行至約114s時(shí)，逃逸塔分離。從逃逸塔分離至整流罩分離（約158s）期間，一旦發(fā)生緊急情況，4個(gè)安裝在整流罩上的固體發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，將飛船拉離箭體。

在人類載人航天史上，除了本次發(fā)射，應(yīng)急逃逸系統(tǒng)還應(yīng)用過(guò)2次。1960年11月21日，一枚紅石彈改箭火箭搭載一艘無(wú)人“水星”（Mercury）飛船準(zhǔn)備做一次亞軌道發(fā)射試驗(yàn)。火箭正常點(diǎn)火，但在火箭離地100mm后，主發(fā)動(dòng)機(jī)突然主動(dòng)關(guān)閉，火箭又坐回發(fā)射臺(tái)。在準(zhǔn)備第二次點(diǎn)火時(shí)，火箭逃逸系統(tǒng)突然開(kāi)始自動(dòng)工作，將“水星”飛船拉起，5s之后，飛船距離地面1200m，之后飛船平穩(wěn)降落在距離火箭370m處。此外，1983年9月27日，蘇聯(lián)發(fā)射聯(lián)盟 T－10A載人飛船即將升空時(shí)，意外起火。情急之下，逃逸塔突然啟動(dòng)，帶著載有航天員的飛船遠(yuǎn)離發(fā)射臺(tái)，在2.4km外的地方安全著陸。而就在逃逸塔點(diǎn)火升空后幾秒內(nèi)，“聯(lián)盟”火箭突然爆炸，發(fā)射臺(tái)附近變?yōu)橐黄鸷！?/p>

4 小結(jié)

聯(lián)盟－FG火箭發(fā)射失敗，俄航天領(lǐng)域再度陷入危機(jī)

俄羅斯聯(lián)盟－FG火箭于2001年投入使用，截至目前共進(jìn)行了55次載人飛船和10次商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射。本次發(fā)射是該型火箭出現(xiàn)的第一次發(fā)射故障，發(fā)射任務(wù)中，聯(lián)盟-FG火箭正常點(diǎn)火起飛，逃逸塔分離之后，進(jìn)入火箭助推級(jí)分離時(shí)序，但因一個(gè)助推器未能與火箭一子級(jí)成功分離而導(dǎo)致任務(wù)失敗，但之后航天員依靠逃逸系統(tǒng)成功降落。

就在不到2個(gè)月前的8月29日，“國(guó)際空間站”的航天員在聯(lián)盟 MS－09飛船上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)2mm的漏洞，隨后俄羅斯航天員用樹(shù)脂堵住了漏洞，避免了空間站內(nèi)加壓氣體泄漏。雖然沒(méi)造成進(jìn)一步的災(zāi)難，但造成這個(gè)漏洞的原因還在調(diào)查之中。而在這個(gè)時(shí)候出現(xiàn)的聯(lián)盟 MS－10飛船發(fā)射失敗，對(duì)于正在進(jìn)行聯(lián)盟 MS－09飛船漏洞原因調(diào)查的俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)來(lái)說(shuō)，可謂是雪上加霜。

載人航天風(fēng)險(xiǎn)性極高，傳統(tǒng)逃逸塔技術(shù)仍將會(huì)存在

載人航天和衛(wèi)星的發(fā)射有很大的區(qū)別，對(duì)于載人航天任務(wù)而言，保障航天員的安全是載人航天的先導(dǎo)和前提。全球載人航天的歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代，在載人航天發(fā)展的60多年間，全球共出現(xiàn)過(guò)5次災(zāi)難性事故，其中，1次發(fā)生在模擬飛行過(guò)程中，2次發(fā)生在飛船返回過(guò)程中，而另外2次則出現(xiàn)在飛船發(fā)射過(guò)程中，共造成21名航天員遇難。對(duì)于高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的載人航天系統(tǒng)工程而言，除了大推力的運(yùn)載火箭技術(shù)，飛船安全返回技術(shù)和完備的生命保障系統(tǒng)技術(shù)也是不可或缺的。本次“聯(lián)盟”飛船發(fā)射雖然遭遇失敗，但火箭的應(yīng)急逃逸系統(tǒng)在逃逸塔拋掉以后啟動(dòng)，保障了航天員的安全。此外，在載人航天歷史上，還出現(xiàn)過(guò)2次逃逸塔啟動(dòng)并成功挽救航天員的事件。

自第一型逃逸系統(tǒng)出現(xiàn)以來(lái)，雖歷經(jīng)反復(fù)，但已成功應(yīng)用到了美國(guó)的“水星”、“阿波羅”（Apollo）載人飛船和俄羅斯“聯(lián)盟”載人航天項(xiàng)目上，曾出現(xiàn)的3次逃逸事件表明，傳統(tǒng)的逃逸塔系統(tǒng)可靠性高且擁有自主判斷和主動(dòng)工作的能力，具備“有塔逃逸”和“無(wú)塔逃逸”的能力，可確保在整流罩分離前載人飛船和航天員的安全，未來(lái)或?qū)⑴c飛船自主起飛技術(shù)并存。

俄羅斯近年來(lái)航天發(fā)射事故頻發(fā)，運(yùn)載火箭質(zhì)量保證仍是重中之重

自1990年以來(lái)，俄羅斯航天領(lǐng)域出現(xiàn)了46次發(fā)射故障，且2005年以來(lái)，俄羅斯每年都出現(xiàn)因航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷、產(chǎn)品質(zhì)量或人為失誤等引起的發(fā)射失敗，少則1次，多則4次。為提升俄羅斯航天產(chǎn)品質(zhì)量，2017至今，俄羅斯主管航天的副總理羅戈津（現(xiàn)俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)總經(jīng)理）多次組織召開(kāi)航天產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性會(huì)議，力圖從質(zhì)量管控方面開(kāi)展多項(xiàng)工作，其中包括統(tǒng)一的生產(chǎn)與運(yùn)輸條件監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域一體化結(jié)構(gòu)等。此外，在2018年，俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)還對(duì)現(xiàn)役及在研火箭型譜進(jìn)行了調(diào)整，逐步使事故頻發(fā)的質(zhì)子－M（Proton－M）火箭退役，取消“質(zhì)子”中型和小型的研制計(jì)劃，集中精力、財(cái)力、人力和物力做好“安加拉”（Angara）系列、聯(lián)盟－5等新型火箭的研制工作，以及聯(lián)盟－2系列的服務(wù)能力。而俄羅斯近2年的發(fā)射失敗表明，從火箭設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)到發(fā)射的各個(gè)環(huán)節(jié)的全面的產(chǎn)品質(zhì)量保證，仍將是俄羅斯航天運(yùn)輸領(lǐng)域的重中之重。