從失敗到復飛，火箭猶如涅槃重生

文/ 趙陽

8 月29 日，美聯合發射聯盟的德爾它4 重型火箭在執行NROL-44 發射任務時，火箭點火后上演了一場驚心動魄的“臺上烈焰焚身，火箭巋然不動”的戲碼。火箭本質上是大量危險的高能推進劑的受控“爆炸”。一旦這種“爆炸”不受控 ——那就真成了爆炸了，也就是我們常說的發射失敗或異常。但現代運載火箭作為一種多系統耦合的復雜運輸工具，問題可謂常見，失敗亦是難免。面對不同階段的異常或者失敗時，不同火箭的做法又有何不同呢？

▲ 德爾它4H 火箭點火后，火箭巋然不動

點火之后突然關機怎么辦？

8 月29 日，德爾塔4 重型火箭芯一級和助推器的3 臺RS-68 氫氧發動機在起飛前3 秒突發故障，發動機正常排出的氫氣上升后被點燃，但由于火箭未能離架，導致氫火迅速包圍了火箭，火箭控制系統自動進行了緊急關機，發射被迫中止。好在火箭整流罩內的載荷正常，此次載荷是代號為“導師”的偵察衛星最新型號。該系列衛星與著名的“鎖眼”齊名，素以神秘和昂貴著稱，據稱衛星造價貴過等重黃金。因此發射方對這類載荷一向小心翼翼，如履薄冰，不敢有半點差池。

巧合的是，就在去年1 月的范登堡發射場，聯合發射聯盟的同一款火箭。在為同一個客戶發射新型鎖眼衛星時，也曾上演過相同的“緊急關機”戲碼。好在當時載荷也是安然無恙，幾天之后故障查明是傳感器導致，排除后火箭正常發射。

其實，發射前緊急關機的故障并不少見，多由發動機點火過程中發現異常信號而由系統自動觸發。比如獵鷹9 火箭2016 年2 月第四次嘗試發射SES-9 衛星時，發動機點火系統發現一臺發動機推力異常下降，火箭立即自動中止發射。這得益于牽制釋放裝置，火箭被牢牢“拽住”，并未離開發射臺。不過身為液氧煤油燃料火箭的獵鷹9 火箭缺少了氫氧燃料火箭“烈焰焚身”的效果，只是在自燃點火劑發出一陣綠光后就熄火了。事后調查稱，故障是因當時過冷推進劑長期靜置導致溫度升高，而貯箱內的增壓用氦氣借此混入推進劑并被吸入渦輪泵導致推力異常。

航天史上類似的情況可謂屢見不鮮，但只要火箭沒有離開發射架，大多是有補救機會的。

▲ 驚險升空的天鵝座飛船正在靠近國際空間站

▲ 織女星火箭恢復發射

升空之后如何自救？

那火箭升空后出現問題怎么辦呢？由于火箭脫離地面支持，基本上只能靠“自救”，常見的補救方式有兩種。

第一種，若火箭本身設計有動力冗余能力，一旦有發動機發生異常，火箭可以自動關閉故障發動機，并聯的其他發動機可以接過異常發動機的工作，通過火箭控制和導航系統的重新迭代規劃，適當延長其余發動機的工作時間，以此拯救發射。歷史上，“土星五號”、航天飛機和“獵鷹9”都曾實際運用過動力冗余來拯救發射，所以這種設計側面拔高了火箭的可靠性。

第二種補救方式實質上也是延長發動機的工作時間，只不過“辛苦”的是故障發動機的下一級。比如2016 年3 月，在天鵝座OA-6 任務發射過程中，宇宙神V 火箭一級的俄制RD-180 發動機突然提前5 秒關機，隨后火箭二級的 RL-10 發動機利用貯箱內的預留推進劑延長燃燒時間長達 1 分鐘，最終仍將飛船送入軌道。

這次提前關機看似輕描淡寫，但其實兇險異常，因為RD-180 只要再提前關機一秒，發射就會失敗，這時火箭二級就算用光預留推進劑也是“回天乏術”。而對不具備動力冗余功能的運載火箭而言，動力系統在飛行段出現故障是致命的，很容易導致不可逆的發射失敗。

那么，一旦運載火箭出現了發射失敗，之后自然要痛定思痛，從頭再來。比如9 月2 日剛剛完成恢復發射的織女星火箭，一次將13 個國家21 家客戶的53 顆衛星送入軌道，在順利完成自己“重生之旅”的同時也打破了歐洲的一箭多星紀錄。

該火箭之前曾在2019 年7 月的發射中出現事故，之后便陷入沉寂。事故調查認為，火箭固體裝藥燃燒產生的高溫燃氣沖擊了其二級的結構，致使二級碳纖維結構被燒穿，最終導致火箭在飛行中解體。而根本原因是在制造火箭時，其二級熱防護層厚度差了約1 毫米，并逃過了質控檢查，最終導致此次事故。

▲ 心宿二火箭爆炸場景

▲ 電子號火箭恢復發射

發射失敗如何東山再起？

發射失敗后，研發人員一般會針對整個火箭的分系統進行系統的復盤分析，在解決問題的同時，有時也會深挖痛點，對火箭進行改進提升。因此發射失敗通常也是運載火箭更新、換代、挖潛的絕佳契機。

例如，與織女星火箭同為微小衛星發射領域主力的電子號火箭，也在近期完成了其發射失敗后的恢復發射。而之前該火箭在7 月4 日的一次發射中，由于一處電氣連接失效，導致電動泵斷電，發動機提前關機導致其發射失敗。

通過舉一反三，火箭實驗室公司還順手對該火箭上驅動發動機電動泵用的電池組進行了減重設計，使新火箭的近地軌道運力得到了提升。

無獨有偶，太空探索技術公司也曾借用“歸零”的機會改進火箭。2015年7 月，在執行CRS-7 國際空間站貨運任務的過程中，因獵鷹9 號火箭二級貯箱COPV 支撐桿件不合格，火箭凌空解體，箭船俱毀。緊接著當年 12 月，太空探索技術公司一恢復發射就直接推出了全新的“獵鷹9”全推力版本。

這次升級可謂“大刀闊斧”，公司不但采用了過冷推進劑，還加長了火箭二級貯箱，換用了更長更堅固的碳纖維級間段，增加了一二級分離用的液壓推桿，還改良發動機艙，升級回收著陸腿，最后還提高了梅林1D 發動機的推力，最終使火箭近地軌道運力提升高達33%。

不過要說起失敗后大改的典型，可能要數心宿二火箭了，比起“獵鷹9”的升級改造，這型火箭直接選擇更換發動機。

2014 年10 月，心宿二火箭執行天鵝座發射任務時，升空僅15 秒，火箭一級的AJ-26 發動機突然爆炸。事故分析推測是碎屑或制造缺陷導致發動機泵軸承損壞，進而引發連鎖反應導致爆炸。而火箭一級的兩臺AJ-26 發動機實際上就是40 多年前蘇聯時期庫存的NK-33 發動機，于上世紀90 年代購入美國后翻修而來，因此價格極其低廉。于是公司不得不忍痛棄用該型發動機，改用RD-181 發動機，最終于2016 年10 月恢復發射。