小火箭：接二連三的失敗

文/松堂

2020 年至今，在航天發射失敗的案例中，小火箭占了非常大的比例。其中大多數失敗，是初創公司帶來的。離我們最近的一次失敗，就是2021 年9 月3 日的阿爾法火箭發射失敗。這枚火箭由一家叫做螢火蟲的私營企業研制，美國太空軍的范登堡航天基地為它提供了發射場。當天下午美國當地時間9:59，阿爾法火箭從發射臺上點火順利升空。然而在火箭起飛后1 分47 秒左右，一名發射控制員表示阿爾法火箭并沒有達到超音速，實際上按照設計要求，它應該在1 分07 秒就超過音速。到了起飛之后的2分18 秒，地面控制員驚喜地報告火箭已經超過音速了，然而人們僅僅高興了11 秒鐘，火箭就失去了控制，在天空中翻滾起來，然后炸得粉碎。

小火箭又不是大火箭，為啥這樣難搞呢？現在我們分析一下這些失敗案例，看一看能不能梳理出小型火箭失敗率這么高的原因。

▲ 發射臺上的阿爾法火箭

▲ 阿爾法火箭起飛

▲ 廠房中的阿爾法火箭

▲ 阿爾法火箭在空中爆炸

首射失敗的“發射器一號”

2020 年5 月25 日，著名富豪理查德·布蘭森創辦的維珍軌道公司進行了第一次空間發射的嘗試。他們用一架代號為宇宙少女的波音747 飛機，在左翼下攜帶了一枚“發射器一號”火箭，從美國加利福尼亞州起飛進入太平洋上空。當火箭達到一定高度的時候，飛行員釋放了火箭，火箭發動機開始點火。發射地點大概是在美國長灘偏西160千米的地方。發射器一號火箭長達21米，當它從飛機上被釋放下來的時候，還是很壯觀的。

或許是因為受到“鋼鐵俠”馬斯克的影響，維珍軌道公司在推特上進行了準實時的直播。在火箭發射的瞬間，他們就發出了第一條推特。但是3 分鐘后，維珍軌道公司又發出了一條推特，說任務已經終止?！坝钪嫔倥枴焙?名機組人員安全返回了地面。維珍軌道公司的副總裁威爾后來在接受記者采訪時為自己解釋說，從歷史上看首次飛行的成功率都不高，大概有一半的火箭首飛都是失敗的，我們也不能夠脫離歷史現實嘛！

▲ 維珍軌道公司的“發射器一號”首次發射遭遇失敗

發射器一號火箭采用兩級結構。

第一級發動機叫做“牛頓三號”，推力大約32 千牛。二級發動機叫做“牛頓四號”，是一種可以關機再點火的液體火箭發動機，推力大約26.7 千牛，都采用液氧煤油燃料。因此“發射器一號”也是世界上第一種采用液體燃料的空射運載火箭。

發射失敗之后，維珍軌道公司對事故進行了詳細的分析，并且開始準備組裝第二枚火箭。7 月，維珍軌道公司終于向外界透露了“發射器一號”失敗的原因，是高壓液氧管路發生斷裂，導致牛頓三號火箭發動機氧化劑供應中斷，當然就失去動力了。據說整個推進過程只持續了10 秒鐘。我們都知道，液氧是一種低溫燃料，氧氣的沸點只有零下183 攝氏度。在輸送的過程中，液氧不斷從周圍的環境中吸收熱量，只要有一個氣泡產生，就會極大地增加管道內的壓力，因此液氧輸送管道的耐壓性能要求非常高。

實際上在所有火箭研制當中，只要是采用低溫燃料的，不管是液氫液氧還是液氧甲烷，亦或是液氧酒精和液氧煤油，都曾經發生過因為液氧泄露而導致火箭失敗的案例，這或許也是火箭研制商們不得不跨過去的一個門檻。隨后軌道公司立刻開展了質量歸零活動，用標準更高的器件來制造液氧輸送管道，第二次發射終于取得成功。

▲維珍軌道公司的“發射器一號”正在組裝

“電子號”失?。旱湶粏涡?/h2>

即使比較成熟的型號也沒有人能夠保證它就一定不會發生事故。

2020 年7 月4 日，火箭實驗室公司的電子號火箭從新西蘭起飛，二級火箭燃燒時發生了故障，帶著7 顆小衛星掉進南太平洋。火箭實驗室創始人兼首席師執行官彼得·貝克向客戶們道歉說，一定會發現問題，并且加以解決。

▲電子火箭在2020 年7 月4 日的發射遭到失敗

火箭實驗室公司表示，導致發射失敗的問題發生在起飛之后大約4 分鐘內。但是火箭脫離安全區，沒有對環境或人員造成意外的傷亡。視頻顯示，火箭的遙測信號在起飛后5 分41 秒完全消失。最后，火箭最高速度達到了每小時13700 千米，并且飛行到了194.8千米的高度，但沒能達到第一宇宙速度，也沒有達到500 千米的預定軌道高度。在這次任務當中，電子號攜帶了7 顆小衛星，其中有一顆衛星是日本佳能公司研制的對地觀測衛星。這顆只有67 千克重的衛星，據說可以達到90 厘米的地面分辨率。這好像也是照相機企業直接研制對地觀測衛星的第一個案例。

并不是每一個衛星業主都對這次發射失敗給予很寬容的態度。英國航天公司的法拉第一號衛星也在事故當中損毀。這是一顆非常小的6u 立方體衛星。公司在推特上說，我們的團隊被這條消息徹底擊垮了，兩年的辛勤工作化為烏有，這真是非常殘酷的事情。

7 月31 日，火箭實驗室公司拿出了自己的故障調查結果，是因為火箭第二級上一個電連接器意外失靈，導致火箭不能夠正常工作。貝克具體解釋說，在測試當中，電連接器都是很正常的，但是經過一段時間的使用，因為接頭插針的質量不一致，其中有一個插針的電阻比其他插針都更高一些，強大的電流導致這個插針發熱，然后因為熱脹冷縮而膨脹起來。在插針的周圍，是一些用來封裝的化合物，一方面防止插頭震動，另一方面也起到絕緣的作用。然而，過高的溫度讓這些封裝料融化掉了，所以導致插針失效。在發射之前的測試中，電氣工程師們沒有發現這個問題。很顯然，是電子號火箭團隊的工程師們對這種類型的問題缺乏經驗，給出的測試標準太低了一些。

電子號火箭與其他傳統火箭的一個重要區別就是沒有傳統的燃氣渦輪泵，而是改用鋰電池驅動的電動渦輪泵向火箭發動機提供燃料。有人認為，電動泵的功率和燃料輸送能力是非常有限的，不能夠適用于大型運載火箭，但是電子號火箭是一種只有十幾米高的小火箭，所以電動渦輪泵還是能夠發揮作用的。但是換句話說，只要沒電了，電子號火箭上的盧瑟福發動機就會停工。這就是本次失敗的主要原因。彼得·貝克在推特上解釋說?；鸺目傮w設計應該是沒有問題的，所需要做的，只是改進電連接器牢固性這一件事。他說，在這次失敗之前，火箭實驗室公司已經成功發射了11 次，把53 顆小衛星送進了軌道。上一次失敗是火箭實驗室公司的第一次飛行，因為地面設備的一些故障，導致了火箭飛行失敗。

但是電子號火箭的厄運似乎沒有就此完結。2021 年5 月15 日，電子號火箭從新西蘭的馬來西亞半島發射升空，但是在起飛后大約兩分半鐘，火箭第二級的姿態失控，發射失敗，損失掉了全部衛星，其中包括兩顆黑色天空公司的小型對地觀測衛星。

▲ 在2020 年7 月4 日電子火箭發射失敗中損失掉的佳能衛星

▲ 2021 年5 月發射失敗的電子號火箭

這次發射開始前就不太順利，為了等待高空的風力情況有所改善，電子號火箭在發射臺上等待了一個小時。第一級火箭發動機按計劃完成了自己的工作，在大約75 千米的高度和第二級火箭分離，當時的速度大概是每小時8200 千米。之后的程序應該是第二級火箭發動機點火，由一臺盧瑟福發動機噴射6 分鐘以上，然后到達預定軌道。但是在第二級發動機點火的時候，火箭的姿態似乎沒有辦法控制了。幾秒鐘后，二級火箭發動機關機，火箭的速度迅速下降。火箭實驗室公司在遙測信號中斷后，停止了原來在推特上進行的網絡直播，在經過大約兩個小時的確認之后，火箭實驗室公司宣布發射失敗。按照原計劃，這枚火箭將通過三級火箭發動機的推進，把兩顆黑色天空衛星部署到距離地球430 千米高的軌道上。為了實施這次發射，電子號火箭采用了全新的適配器，叫做雙有效載荷適配器，兩顆衛星在整流罩內，是一上一下疊放的。

7 月19 日，火箭實驗室公司宣布，自己找到了這次發射失敗的原因，主要是因為二級火箭發動機的點火系統發生了故障，導致星上計算機的信號中斷。計算機認為火箭已經不能夠正常工作，偏離了預定的參數，然后把發動機關閉了。火箭實驗室公司表示點火系統的這種故障，在以前的地面實驗中沒有發生過，是在一整套獨特的環境和客觀條件下發生的。為了解決這個問題，工程師們在實驗室中重復了故障，并且為點火系統提供了冗余改變設計和制造方式，以此來防止問題再次發生。

其實所有從事過正規火箭研制的工程技術人員，聽到這條消息或許都會會心一笑：和所有的火箭研制單位一樣，電子實驗室公司只是學費交得不夠多而已。

▲ 損失掉的兩顆黑色天空衛星

“織女星”也有不行的時候

如果說上面這些火箭都是私營企業研制的，工程師們在研發投入和總體經驗上有所欠缺，那么老牌宇航公司所研制的火箭是不是就能表現好一點兒？

事實上也沒有這么容易。2020 年11 月17 日，歐空局研制的織女星運載火箭，運載了一顆西班牙對地觀測衛星和一顆法國科學衛星，從法屬圭亞那庫魯航天中心起飛后，在即將進入軌道的時候出現故障導致發射失敗，損失了差不多4 億美元的衛星。

從嚴格意義上來說，“織女星”并不是一種很小的火箭，它的高度達到30 米，起飛重量100 多噸，屬于一種中型偏小的火箭。但是和歐空局的另外一種火箭“阿里安5”相比，它真的就是一種小火箭了。

發射當天，織女星火箭起飛之后三級固體燃料火箭都工作正常，把衛星送到了接近于每秒7600 米的速度，眼看就要進入軌道了。但是火箭的第四級，也就是稱之為“姿態和游標上面級”的火箭段沒有能夠正常工作。這個上面級應該關機又開機，進行四次推進，把載荷送進大約676 千米高的預定軌道。這是一種采用液體燃料發動機的上面級。總承包商在聲明中說，上面級發動首次點火之后發生了異常，導致軌道偏離、任務失敗。上面級在沒有能夠正常點火之后，帶著衛星逐步下墜，掉回地球。

織女星火箭雖然系出名門，但是成功率不算太高，在2019年的7月，“織女星”在為阿拉伯聯合酋長國發射一枚軍事衛星的時候，沒有能夠進入軌道。根據事后分析，是第二級火箭發動機的前部端蓋在高溫下失效，火箭解體。

我們現在回來說這個液體燃料的上面級。它并不是由歐空局自己生產的，而是由烏克蘭生產的，采用了非常傳統的偏二甲肼和硝酸推進劑。我們對這種燃料應該非常熟悉，它就是長征三號家族所采用的那種燃料。它們最大的優點就是可以在常溫常壓下存儲，而缺點就是有毒有害。烏克蘭在蘇聯時代在航天領域有崇高的聲望，但是冷戰結束至今，特別是2014 年烏克蘭內戰爆發以后，社會局面動蕩，經濟嚴重下滑。這是不是影響到了烏克蘭航天單位及其火箭工廠的工作質量？目前還不能夠得出結論。

但是不管怎么說，上面級是歐空局自己驗收通過的。就算是制造當中的質量有問題，驗收的時候也應該發現。那么這次火箭飛行失敗，確實不應該完全歸咎于烏克蘭方面。

▲ 織女星火箭這次失敗損失了兩顆高價值衛星