常見故障原因：液體發動機推力損失

文/ 遲惑

相對于其他問題，“液體發動機推力損失”是過去幾十年來航天發射任務失敗的最常見原因。自1975 年以來，在大約241 起故障中，共有73 起或30%是由于液體發動機推力損失（不包括爆炸或點火失敗的液體發動機）造成的。這些故障大多造成了災難性的后果，也有一些僅僅造成了部分損失。

▲ 蒂羅斯衛星

▲ 博物館里的宇宙神F 火箭

液體發動機推力損失而導致火箭失效的原因有幾種。首先是過早耗盡推進劑。這種類型的失效一般是由于推進劑載荷計算不當造成的，也有可能是因為發動機性能低于設計指標，導致提前用完推進劑。印度GSLV 火箭第一次任務中就發生了這種問題。儀器讀數錯誤也會導致推進劑裝載不足，1981 年的德爾它 3913 發射中就發生了這種情況。還有一些液體發動機故障是由更復雜原因導致的。

幾乎不可能的故障

1980 年5 月29 日，宇 宙 神19F火箭攜帶著NOAA-B 蒂羅斯氣象衛星從加利福尼亞州范登堡空軍基地的SLC-3W 發射臺升空。發射正值凌晨，視覺觀察沒有發生異常。如果是在白天發射，人們可能會注意到從助推器一側冒出的異常濃密的廢氣。

跟蹤數據很快就顯示有問題，但人們一開始無法理解。火箭按計劃在速度-時間曲線的低端運行。第一級推進期間，助推器按計劃分離。通常情況下，當助推器分離時，由于少了一部分推力，火箭的加速度會下降，但隨著推進劑的消耗，加速度又會恢復。但當宇宙神19F 分離助推器時，速度-時間曲線變成了平的。專家們看到數據后深感震驚。

起初，彈道數據顯示火箭已經失去了推力，但遙測數據顯示，火箭的發動機還在正常工作。遙測數據是正確的，發動機確實在繼續工作，直到一級火箭應該分離的時候，火箭還在工作。人們的擔憂變成了困惑，專家們說：“這是不可能的！火箭上已經不會有燃料了！連潤滑油都沒有！”

發動機的關機時間比設計晚了50秒，火箭上沒有減速機構，因此無法把速度降下來。衛星正常分離并啟動了入軌發動機，但最終進入了橢圓軌道，基本上失效了。

調查顯示，宇宙神火箭的一臺助推器發動機出現了罕見的故障模式。這種發動機的啟動過程非常迅速，比任何其他類似設計的發動機都快一個數量級，渦輪泵燃料側和驅動機構之間的密封可能會彈回。一旦它被彈開，燃料就強行進入密封圈，并保持打開狀態，每分鐘大約有50 加侖（190 升）的燃料涌入驅動機構。與正常運轉的發動機所消耗的燃油相比，這部分損失并不顯著，但驅動機構每分鐘只消耗5 加侖（19升）的潤滑油，每分鐘50 加侖的燃料涌入量比這高出一個數量級，由此產生的粘性阻尼使發動機推力降低到正常的80%左右，降低了助推器的加速度和速度，未使用的推進劑卻增加了其重量。如果讓助推器發動機再工作幾秒鐘就可以彌補這一差距，箭上導航系統試圖做到這一點，但事實并非如此，助推器制導系統在達到設計速度之前就關閉了助推器發動機。

當時宇宙神火箭依然保持在正確彈道上，但速度不夠高。制導系統、續航發動機和推進劑供給系統都在努力彌補這一差距，盡可能有效地將多余的推進劑轉化為所需的速度。火箭掙扎接近于成功，但是最后還是功虧一簣。

在“宇宙神”所發射的各種衛星中，蒂羅斯氣象衛星是獨一無二的。火箭和衛星之間沒有任何形式的電氣接口。

通常情況下，在飛行過程中，由火箭發送信號，激活衛星上的星箭分離火工品，并通知航天器制導系統。但對于蒂羅斯氣象衛星，設計要求它在接到發射命令后的有限時間內進入軌道，通常是90 天左右。這種時間表通常需要在發射場保持衛星處于就緒狀態；這需要花錢，而且需要專門的人力和專門的處理設施。縮短航天器到達發射基地時間的另一種方法是取消助推器和航天器之間的電氣接口。沒有接口的好處是它們不需要測試，火箭可以單獨做好發射準備，然后衛星與火箭結合，各自測試，之后10 天左右就可以發射，而不是通常的30 天。

因此，宇宙神火箭和蒂羅斯衛星之間僅僅使用V 形包帶進行機械連接。衛星根據自己的加速計信號來決定何時需要啟動星箭分離。如果出現了這個信號，表明火箭已經停止了推進。

如果火箭已經停止工作，衛星制導系統將發出命令，引爆火工品，使用小型單組元肼推力器與火箭分離，然后自己確定軌道和姿態數據，點燃TEM-364-15 遠地點發動機，進入太陽同步軌道。

▲ 宇宙神F 火箭游動發動機細節

▲ 宇宙神F 火箭的發動機布置

▲ 宇宙神F 火箭有3 臺發動機

▲ 準備發射GPS 衛星的德爾它4 火箭

這樣的方案意味著，如果衛星加速度計出現故障，就無法實施星箭分離了。因此衛星制導系統中還有一個基于軟件的計時器，如果加速度計一直不能提供信號，它就會接管信號并啟動分離。在“宇宙神19F”的飛行中，蒂羅斯衛星的計時器在火箭繼續燃燒以達到設計速度之前就完成了計數，關閉了主發動機，但兩個LR-101 游動發動機繼續工作了11 秒。游動發動機本身是為了讓衛星分離前有更精確的指向。這兩臺發動機的推力只有4450牛頓，與主發動機相比并不多，但比衛星上的四個小推力器推力高出一個數量級。

包帶炸開后，“宇宙神”仍然在推進，衛星無法與火箭分離，并執行所需的姿態控制動作。“蒂羅斯”衛星另一個節省成本的設計是火箭飛行彈道很高，這樣就能用范登堡基地的遙測系統來跟蹤火箭飛行彈道中盡量多的部分，減少對昂貴的“低空先進測距儀飛機”的需求。但這樣的彈道意味著衛星在啟動遠地點發動機之前必須有正確的姿態。

“蒂羅斯”終于擺脫了火箭，它的遠地點發動機把“宇宙神”的液氧儲罐頂部燒出了一個洞，導致泄壓。遙測數據顯示，“宇宙神”液氧罐的壓力立刻降到零。

因為推進太久，“蒂羅斯”最后進入的橢圓軌道與預期的830 公里太陽同步圓軌道相距甚遠，基本上完全損失了。

▲ 德爾它4 重型火箭是世界上第一種把3 個幾乎相同的第一級捆綁在一起的火箭

▲ 獵鷹9 火箭把軌道通信衛星送入了錯誤軌道

德爾它4 重型版的首飛事故

德爾它4 重型版火箭上次發生故障，是在2004 年12 月21 日。這是該型火箭的首次飛行。它從卡納維拉爾角空軍基地從SLC-37 升空。這是世界上第一種把3 個幾乎相同的第一級捆綁在一起的火箭。飛行的初期似乎很順利，但兩個捆綁式助推器提前8 秒關閉。隨后，芯級也提前9 秒關閉。

為了彌補第一級推進時間的不足，第二級火箭推進了更長時間，但是依然無濟于事，試驗有效載荷最終進入了遠地點16000 公里的軌道，遠遠沒有達到靜止軌道。兩個搭載的有效載荷也因為速度不夠而墜入大氣層燒毀。

這兩個事故告訴我們，啟動火箭發動機充滿危險，但關閉液體火箭發動機也不是一個簡單的過程。因此，設計師們必須非常小心，以確保發動機不會因燃料不足而提前關機。特別是在氧化劑和燃燒劑混合比過高的情況下。對于大多數發動機來說，氧含量過高很可能導致燃燒室壓力突然提高，使發動機爆炸，火箭和衛星全部損失。

所以，幾乎所有火箭都裝有氧化劑閥門。當燃燒劑儲箱基本用空的時候，就關閉發動機。然而，這正是德爾它4 重型首發失敗的原因。第一級的3 個芯級上，傳感器全都過早地報告了燃燒劑耗盡的信息，導致發動機在工作完成前關閉。

2012 年10 月4 日，搭 載著一 枚GPS 衛星的德爾它4 火箭發射升空。飛行過程中，第二級火箭發生了推力部分損失，不過衛星還是正常入軌了。隨后的10 月7 日，第一次向國際空間站運送貨物的獵鷹9 火箭發生一級發動機故障，雖然沒有影響貨運飛船的飛行，卻導致了搭載的第二代軌道通信星座衛星無法進入正確軌道。而具體的問題，都是火箭發動機的推力沒有達到設計指標。

其中獵鷹9 火箭的故障也是因為關機太早。控制系統發現其中一臺一級發動機出現問題，于是自動關掉了它，由其他發動機的推進來彌補這個損失。出于安全考慮、避免碰撞，載人飛船或者貨運飛船不能用火箭直接送到國際空間站，而是要在距離90 公里左右的地方釋放，因此火箭入軌不準可以得到彌補。飛船的動力比較強，有彌補失誤的能力。但是搭載的小衛星就做不到了，只能被留在錯誤的軌道上。

看來，發動機故障是無法杜絕的，但是通過整箭的恰當設計，還是有希望挽救任務的。這不僅需要適當的推進系統設計裕度，而且還需要考慮到可能出問題的整箭設計裕度。發動機發生故障后的搶救任務，是對有效載荷集成和任務設計過程的考驗。