火箭發(fā)射頻頻中止為哪般

文/ 遲惑

從8 月29 日到10 月3 日，美國連續(xù)發(fā)生了5 次大型火箭因不明故障臨時中止發(fā)射的事件。

8 月29 日和9 月30 日，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的德爾它4 火箭重型版兩次在發(fā)射前取消。8 月29 日的一次，火箭的主發(fā)動機已經(jīng)點火，但被臨時關(guān)閉，沒有升空。9 月30 日的一次，火箭在倒計時7 秒時，箭上計算機認為發(fā)動機存在故障，中止了發(fā)射。對于一種飛行了10 多年、成功40 多次、僅僅失敗了一次的火箭來說，連續(xù)兩次發(fā)射前中止，是很少見的。10 月1 日，太空探索技術(shù)公司的獵鷹9 火箭準備將“星鏈”星座60 顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射升空，起飛倒計時18 秒時因地面?zhèn)鞲衅髯x數(shù)異常緊急中止。同一天，諾格公司的“心宿二”火箭進行的一次貨運飛船發(fā)射則在倒計時2 分40 秒時因地面設備問題被中止。緊隨其后，10月3日，獵鷹9 火箭在攜帶美國天軍GPS-3 系列導航衛(wèi)星的第4 顆衛(wèi)星準備升空時，在倒計時3 秒時中止發(fā)射。

5 次同樣的情況發(fā)生在一個多月的時間里，這在世界航天史上也很罕見。雖然沒有造成衛(wèi)星損失，但對這一系列事件進行跟蹤分析，卻是有必要的。

▲ 德爾它4 重型火箭準備發(fā)射NROL-44 衛(wèi)星

▲ 搭載著GPS-3 的獵鷹9 號火箭豎立在肯尼迪航天中心的40 號發(fā)射臺上，在它不遠處豎立在39A 發(fā)射臺上的是搭載著“星鏈”衛(wèi)星的另一枚獵鷹9 號火箭

▲ 10 月2 日“心宿二”火箭成功將天鵝座貨運飛船發(fā)射升空

中止發(fā)射的原因

5 次中止發(fā)射，除“心宿二”火箭明確指出是因為地面設備問題而導致發(fā)射中止，且在第二天再次發(fā)射成功，其它4 次發(fā)射中止的原因目前都有些含糊其辭。

我們先來看看聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟是怎么解釋德爾它4 重型版發(fā)射中止的原因的。8 月29 日，德爾它4 重型版在為美國政府執(zhí)行秘密間諜衛(wèi)星NROL-44 發(fā)射任務時，在倒計時3 秒時中止了發(fā)射，當時有一臺RS-68A 發(fā)動機已經(jīng)點火，人們清晰地看到了火箭下部冒出的火光。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟首席執(zhí)行官布魯諾在9 月9 日聲稱，導致德爾它4重型火箭發(fā)射中止的原因已經(jīng)查明，是由于發(fā)射臺的高壓氦調(diào)節(jié)器內(nèi)的膜片撕裂，并表示這是設備老化后可能會發(fā)生的問題。發(fā)射臺上高壓氦調(diào)節(jié)器內(nèi)的膜片撕裂會導致其無法產(chǎn)生足夠的壓力讓渦輪轉(zhuǎn)起來，進而啟動大型芯級發(fā)動機。當火箭探測到氦壓力不足以讓芯級發(fā)動機啟動時，就會自會動中止發(fā)射。德爾它4 一級火箭使用了3 臺RS-68A 發(fā)動機，同時地面上有3 臺這樣的調(diào)節(jié)器，每臺發(fā)動機各配一臺。布魯諾當時表示，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟正在核實另兩臺調(diào)節(jié)器的情況，將根據(jù)需要予以維修或更換，然后重新測試。

美國天軍曾經(jīng)在9 月表示，德爾它4 重型火箭直到12 月都不能恢復發(fā)射。但是聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟卻急于再次發(fā)射。首次宣布的重新發(fā)射時間是在9 月26日，但因為“地面系統(tǒng)問題”推遲到了9 月30 日。原計劃于美國東部時間9月30 日深夜23 時54 分發(fā)射升空，在倒計時進行到7 秒時，計算機自動中止了倒計時程序。和前一次中止發(fā)射不同的是，這一次聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟聲稱，計算機“在點火之前發(fā)現(xiàn)了一個意料之外的情況，發(fā)射程序因有傳感器報錯而自動中止”。

德爾它4 重型火箭并聯(lián)使用3 臺通用核心助推器，每臺配一臺RS-68A主發(fā)動機。3 臺發(fā)動機要在發(fā)射前最后幾秒按錯時程序點火啟動，其中右側(cè)發(fā)動機要在起飛前7 秒率先啟動，芯級和左側(cè)發(fā)動機隨之要在起飛前5 秒啟動。啟動時箭上發(fā)動機電子控制單元和健康監(jiān)測系統(tǒng)對發(fā)動機狀況進行測試，通過一系列傳感器，在升空前對關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)測。如果參數(shù)異常，系統(tǒng)有權(quán)中止發(fā)射。很顯然，這兩次發(fā)射中止，都是電子控制單元自動執(zhí)行的。

聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟如此急于發(fā)射，顯然是因為衛(wèi)星比較重要。美軍并沒有公布NROL-44 的性質(zhì)，但是任務標志是一只在雪地上仰天長嘯的灰狼，背后還有另外四只狼的身影。國外媒體解讀說，灰狼長嘯是在給同伴發(fā)出警示。因此，這可能是一顆針對高緯度地區(qū)的導彈預警衛(wèi)星或者電子偵察衛(wèi)星。

相較而言，太空探索技術(shù)公司的兩次中止發(fā)射原因也各不相同。 獵鷹9火箭10 月1 日發(fā)射“星鏈”組網(wǎng)衛(wèi)星時，中止發(fā)射的原因是有地面?zhèn)鞲衅髯x數(shù)異常，此后于10 月6 日發(fā)射成功。10 月3 日，獵鷹9 火箭在發(fā)射新一代GPS-3 衛(wèi)星的時候，也是在即將為主發(fā)動機點火之前中止了倒計時程序。馬斯克本人在推特上說，發(fā)射中止的原因是一級火箭發(fā)動機的燃氣發(fā)生器壓力異常升高。

▲ 德爾它4 重型火箭的仰視圖，右側(cè)可以清晰地看到任務標志是一只在雪地上仰天長嘯的灰狼

中止發(fā)射后的火箭怎么處理

雖然火箭中止發(fā)射的原因各不相同，但中止發(fā)射后火箭的處理方式基本上是相同的。這里面大致可分為兩種情況。

一種是導致中止發(fā)射的原因比較簡單，問題排除后在很短的時間內(nèi)火箭可以重新發(fā)射。就像前面提到的“心宿二”火箭，中止發(fā)射后的第二天就成功發(fā)射了。這種情況處理起來比較簡單，只要排除故障，再進行發(fā)射前的全面檢測就可再次發(fā)射。

另一種情況就比較復雜。導致火箭中止發(fā)射的原因不明，或問題的排除比較復雜，需要較長的時間。這時候發(fā)射中止后的火箭不能像汽車一樣熄火斷電停在那里，需要把推進劑排空，發(fā)動機部分進行吹除，才可以進行后續(xù)的處理。而且火箭使用的推進劑的種類不同，處理的方法也有些不同。現(xiàn)代無毒推進劑火箭主要使用液氧作為氧化劑，液氫、煤油作為燃燒劑。煤油是一種常溫常壓下可以長期保存的物質(zhì)，只需正常排放即可。液氫液氧因為是低溫推進劑，加注后如果不發(fā)射會有一定程度的揮發(fā)損耗，在排放的時候也需要非常的小心。德爾它4 重型版火箭完全采用液氫液氧推進劑，裝載量達到數(shù)百噸之多，因此每次取消發(fā)射都會有大量的后續(xù)工作。獵鷹9火箭采用液氧煤油燃料，情況會比德爾它4 略好一些。

一旦火箭取消發(fā)射計劃，后續(xù)還會有大量的故障排除、軟硬件測試和數(shù)據(jù)審核工作需要處理，有可能還會影響到下一次的發(fā)射任務。獵鷹9 火箭發(fā)射GPS-3 衛(wèi)星時的意外就影響到了太空探索技術(shù)公司載人龍飛船的飛行任務。這次任務原計劃10 月31 日發(fā)射，將把4 名航天員送入國際空間站，但為了安全起見，美國宇航局宣布推遲發(fā)射，要求太空探索技術(shù)公司對在GPS-3 衛(wèi)星發(fā)射時暴露出的問題作出評估，并表示發(fā)射將不早于11 月中上旬。

不管有如何多的后續(xù)工作，會產(chǎn)生怎樣的影響，只要火箭還在發(fā)射臺上，一切就都還來得及補救。但是，如果火箭升空后出現(xiàn)問題怎么辦呢？那就基本上只能靠火箭或衛(wèi)星“自力更生”了。

▲ 載人龍飛船的第一飛行小組在飛船中訓練，由于獵鷹9 號火箭在發(fā)射GPS-3 衛(wèi)星時出現(xiàn)問題，載人龍飛船的第一次飛行任務被推遲到11 月中上旬

發(fā)射升空之后故障如何處理？

火箭發(fā)射升空后出現(xiàn)問題，常見的補救方式主要是延長火箭發(fā)動機的工作時間。如果火箭的一級是幾臺發(fā)動機并聯(lián)的，而且火箭本身設計有動力冗余能力，當其中一臺發(fā)動機發(fā)生異常時，火箭可以自動關(guān)閉故障發(fā)動機，讓并聯(lián)的其他發(fā)動機接替異常發(fā)動機的工作，并通過箭上的控制系統(tǒng)和導航系統(tǒng)進行重新規(guī)劃，延長其余發(fā)動機的工作時間，把載荷送入預定軌道。或者當一級火箭動力不足時，可以讓它的下一級火箭延長工作時間，這樣也有可能把載荷送入預定軌道。

但是這種延長火箭發(fā)動機工作時間的方法只是一種補救措施，可能成功，也可能失敗。2016 年3 月，在天鵝座貨運飛船發(fā)射過程中，宇宙神5火箭的一級發(fā)動機突然提前5秒關(guān)機，幸而貯箱內(nèi)的預留推進劑支持火箭的二級發(fā)動機延長了長達1 分鐘的燃燒時間，最終成功將飛船送入軌道。不過火箭第一級發(fā)動機只要再提前關(guān)機1秒，這次發(fā)射就會失敗。而俄羅斯的聯(lián)盟火箭就沒有這么幸運了。2009 年5 月22 日，俄羅斯聯(lián)盟火箭攜帶著一顆俄羅斯軍用衛(wèi)星從拜科努爾起飛。火箭的第一級和第二級順利分離，但第三級火箭只工作了3 秒就停機了。于是工作人員被迫分離了第三級，啟動“微風”上面級，希望可以把衛(wèi)星推到更高的軌道，但是直到上面級的燃料全部用完，這顆衛(wèi)星也沒有抵達預定軌道。

除了延長火箭發(fā)動機的工作時間外，還可以利用衛(wèi)星自身的動力來挽救即將失敗的發(fā)射。2018 年1 月25日，歐洲阿里安公司準備用阿里安5火箭將兩顆衛(wèi)星發(fā)射到地球同步軌道上。然而發(fā)射后9 分26 秒，控制室忽然失去了所有遙測數(shù)據(jù)。衛(wèi)星沒有被送入既定軌道，全球的跟蹤站都找不到這兩顆衛(wèi)星。神奇的是，過了一陣兩顆衛(wèi)星的信號再次出現(xiàn)了，人們剛想松一口氣，發(fā)現(xiàn)有些地方不對。衛(wèi)星被部署在傾角20 度的軌道上，而不是打算進入的3 度。幸虧這兩顆衛(wèi)星都采用了電火箭發(fā)動機，經(jīng)過漫長的變軌，衛(wèi)星總算機動到位，恢復正常工作。

▲ 阿里安5 火箭發(fā)射升空

▲ 阿里安5 火箭搭載的其中一顆衛(wèi)星“阿爾·耶赫3”準備轉(zhuǎn)運

▲ 聯(lián)盟火箭發(fā)射升空