形形色色的火箭各系統故障

文/張晨

“土星5號”托舉“阿波羅6號”離開39A發射臺

航天發射中，任何一個小的故障都有可能造成發射的徹底失敗。而作為最復雜的工業產品之一，運載火箭的數百萬個零件都至關重要，而且它們并非各自為戰。

運載火箭分為多個系統，其中包括克服重力、艱難上升的動力系統，負責控制姿態和方向的控制系統，供給各系統電力和信息的電氣系統等。本文選取幾個案例，說明是哪些故障造成了火箭飛行的失敗。

動力系統故障

“宇宙神5” 發動機液氧閥門泄露

2007年6月15日，作為聯合發射聯盟成立后的第3次發射，宇宙神5-401火箭再次發射升空。載荷為編號NROL-30（美國國家偵察局）的2顆白云-3海洋監視衛星。“白云-3”的2顆衛星均攜帶有信號情報（SIGINT）載荷。NROL-30任務計劃是被發射至1100千米高、傾角為63.4°的低地球軌道上。這次任務是宇宙神5火箭首次發射白云-3衛星。

火箭起飛，俄制RD-180發動機關機、單發半人馬座上面級分離、RL-10A-4-2發動機點火……

但2顆白云-3衛星只進入到了近地點約900千米、遠地點1100千米的軌道，即使主發關機后輔助推進器全力抬升軌道，半長軸偏差仍然超過了100千米。嚴格來說這次發射并不算成功。白云-3衛星配備有巨大的監聽天線，并不可能有大機動能力。

問題在于半人馬座上面級的RL-10A-4-2發動機。由于液氧閥門泄露，發動機的氧化劑/燃燒劑混合比偏差過大，導致發動機提前4秒關機。

阿里安-44L發動機內多余物致火箭爆炸

1990年2月22日，一枚阿里安4運載火箭托舉著2顆通信衛星從法國圭亞那庫魯航天發射場發射升空。470噸重的阿里安-44L構型使用4個液體助推器，每個助推器使用1臺傾斜9°安裝的維京-6液體火箭發動機。一子級使用4臺維京-5C液體火箭發動機。二子級使用一臺維京4B常溫推進劑火箭發動機，這些發動機都使用四氧化二氮和UH-25的雙組元常溫推進劑。使用低溫推進劑的H10組級通過一臺HM-7B火箭發動機持續燃燒759秒，以將最多4.73噸的載荷送入地球同步轉移軌道。

火箭點火起飛，甚至還沒有離開發射臺時，芯級一臺維京-5C發動機關機。對于44L構型來說，8臺發動機總計會在垂直方向上貢獻535噸的推力以推動470噸的運載火箭。失去1臺發動機后，推力降低到剛好略大于火箭的質量，于是火箭緩緩地上升，燃氣沖刷了發射臺頂部。庫魯航天中心的工作人員并不指望火箭還能勉強上升以抵達軌道，但他們肯定也不希望在發射臺上空就引爆運載火箭。如果這樣的話，400噸劇毒推進劑的爆炸將徹底摧毀發射臺，并且使得整座基地充滿毒煙?；鸺従徏铀倭艘环侄噻姾蟊豢諝庾枇λ毫眩槠瑝嫐г诜▽俟鐏喣堑恼訚衫?。價值5億美元的兩顆通信衛星Superbird 2和BS 2X均被徹底摧毀。

問題很快被找到了。罪魁禍首就躺在一節維京-5C發動機的殘骸里，是一塊抹布。雙組元推進劑按照當量混合比混合燃燒的話，溫度超過3000度，很明顯如此高溫的燃氣是完全無法驅動任何渦輪泵的，任何合金材料都會融化。而歐洲人在維京發動機上選擇用一個泵向燃氣發生器中添加冷水以冷卻燃氣。問題就在于這根水管被堵住了，以至于渦輪泵隨即被高溫燃氣摧毀，導致發動機失去推力。

調查中發現，發動機中的水管需要重新拋光，而負責技術員在水管里墊了個手帕，結果回去過周末后生病了。新的負責人不知道里面有個手帕，導致它就作為一項外來物被封裝在這臺維京-5C發動機里，直到火箭升空。

結構故障

“宇宙神”整流罩缺乏試驗

第一批火星探測器采用稱為水手C的構架研制，重261千克的探測器將使用宇宙神-阿金納D火箭發射。計劃于1964年11月的地火轉移窗口出發奔火。11月5日，宇宙神-阿金納 D火箭將水手3號探測器發射升空。宇宙神火箭級正常分離，阿金納D組級的貝爾8096發動機點火。按照計劃分離后，探測器遙測表明太陽能帆板沒有打開。工程師很快意識到整流罩沒有打開。在地面發送指令打開整流罩失敗后，美國宇航局工程師建議用姿態控制推進器點火把整流罩吹開，但是實際上發射已經失敗了——增加的整流罩死重，使得阿金納D上面級并沒有將探測器加速到足以前往火星——實際上僅進入近日點0.983AU、遠日點1.311AU的軌道。發射失利。不久后，水手3號探測器由于電量耗盡而“死亡”。

阿里安-44L構型火箭

“宇宙神”發白云-3海洋衛星

美國宇航局發起的事故調查表明，出現故障的原因是新型玻璃纖維蜂窩狀整流罩缺乏試驗，在其穿越大氣層時，未放氣的蜂窩單體和外界真空產生的壓差導致整流罩內殼破裂，使得分離機構卡滯。該局在兩個星期內準備了一個新的鎂合金整流罩，用于水手4號探測器的發射。11月28日，“水手4號”踏上火星之旅。

“阿特蘭蒂斯號”固體助推器頭錐缺陷

神秘的STS-27任務將部署第一顆“長曲棍球”合成孔徑雷達成像衛星。其內部代號為“縞瑪瑙”（Onyx)于1988年12月2日搭乘阿特蘭蒂斯號航天飛機發射升空，這是STS-51-L失敗后的第二次航天飛機任務。衛星被部署于近地點437千米、遠地點447千米、傾角57°的軌道，編號USA 34。

STS-27是險象環生的一次任務，因為天氣原因，航天飛機在濕潤的肯尼迪航天中心放置了數天。由于縞瑪瑙-1衛星為絕密任務，起飛時間直到發射前24小時才敲定。為防止絕密雷達衛星的圖像泄露，STS-27任務僅使用最低碼率的任務圖像傳輸，部署縞瑪瑙-1衛星后，任務控制中心告訴航天飛機機組，可能有碎片擊中了熱防護系統，于是機組執行了機械臂目視檢查熱防護系統完好性。他們驚恐地發現，貨艙腹部的防熱瓦受損嚴重，而機械臂無法伸到熱流沖刷最嚴重的機翼前緣。他們向任務控制中心報告了受損情況，但堪稱史前畫質的圖片使得任務控制中心的工程師什么都看不清，以至于他們認為損壞并不嚴重。憤怒的指令長明白航天飛機根本無法撐過再入。但他也無計可施，沒有航天飛機來得及救援軌道上的“阿特蘭蒂斯號”。他告訴組員享受這幾天的飛行吧。

12月6日，航天飛機軌道器執行離軌點火，所幸的是，完全損毀的那片防熱瓦下面剛好是比較耐熱的一套S波段天線組件，“阿特蘭蒂斯號”奇跡般地逃過一劫。

當美國宇航局終于意識到航天飛機受損的嚴重程度時，他們啟動了調查。問題鎖定在航天飛機可重復使用固體火箭助推器的頭錐上——這是一種氯磺化聚乙烯橡膠。按照計劃，材料只需要在發射前存放15天，但在STS-27任務中，其在潮濕的靶場中存放了45天。頭錐的壓力承受極限迅速下降，一周內就會降低30%～40%。另外該局推斷，撞擊發生時速度超過2.5馬赫，一般的小碎片是根本無法穿過軌道器周圍的激波的。碎片可能有1.5～3米那么大。

新的制造程序對航天飛機可重復使用固體火箭助推器的頭錐工藝進行了改進，大量減少了頭錐碎片及其他可能損壞航天飛機熱防護系統的威脅。這些調查和改進發生在STS-107任務前14年。

電氣系統故障

“土星5號”發動機控制線接錯

AS-502任務是土星5號運載火箭第2次飛行試驗，有效載荷為LTA-2R月球艙試驗件與CSM-020號飛船，用于測試近第二宇宙速度再入。

被徹底摧毀的一塊機腹隔熱瓦

火箭第一級在起飛149秒分離，隨后5臺J-2發動機點火工作至319秒，此時2號發動機推力下降了超過三分之一。在起飛412.92秒后，2號J-2發動機艙溫度突然升高，發動機隨后關機，1秒多后，3號發動機也關機了。但火箭儀器艙內部的控制器只考慮單臺發動機失效時的彈道變化，而在2臺發動機失效時它并無內置預案。于是其仍然試圖恢復設計中的4發工作模式，火箭以錯誤的“抬頭”模式持續加速至576秒，S-II級分離，比預期多燃燒了57.81秒，將火箭送入了嚴重錯誤的彈道。

關于S-II級的兩個問題——2號發動機點火器的波紋管泄露，使得2號發動機因為燃料被切斷而關機。3號發動機關機是因為兩臺發動機的控制線被錯誤地接反了，于是將關閉氧化劑閥門的指令送到了3號發動機，導致其提前關機。

“宇宙神-阿金納D”發“水手3號”

“阿里安5”慣性制導單元參數設置錯誤

SES-14通信衛星是一顆重4423千克的全電星，基于全電星-3000EOR平臺建造，并且承載美國宇航局的GOLD有效載荷。GOLD是一臺遠紫外波段的高光譜探測儀，工作于132nm～162nm的波段，具有兩臺相同并且獨立的探測儀，主要用于觀測地球的電離層，可以用于研究地磁暴、太陽風暴對電離層的影響以及電離層本身的一些性質。

Al Yah-3通信衛星重3795千克，基于GEOStar-3平臺建造，屬于阿聯酋亞赫衛星通信公司。衛星使用石川島播磨重工制BT-4推進器升軌，XR-5霍爾推進器保位。

北京時間2018年1月26日，阿里安5 火箭托舉著兩顆通信衛星升空，目標軌道是近地點250千米、遠地點45234千米、傾角3度的一條特殊超同步轉移軌道。設計這樣一條軌道是因為SES-14是一顆全電星，在此軌道上衛星24小時有陽照，也便于升入周期為24小時的橢圓軌道，從而使電推一直開機升軌，而副星Al Yah 3也配置有電推，對其影響不算太大。

但在一級關機分離、二級點火后幾秒，火箭遙測信號丟失了。

實際上火箭一起飛方向就錯了，阿里安公司說是火箭二級問題。當天晚些時候，兩顆衛星信號被地面站捕捉到。

SES-14通信衛星

衛星進入了近地點232千米、遠地點42163千米、傾角20.64°的軌道。SES宣布對SES-14衛星壽命影響不大，但升軌定點需要額外4周。而“Al Yah 3”比較倒霉，由于錯誤的近地點幅角，如果直接強行使用化學推進器提軌的話，壽命至少損失十六年以上——相當于全損。

Al Yah 3衛星通過4次化學推力器點火進入一條橢圓軌道。2018年5月9日，Al Yah 3衛星終于成功定點。2019年10月，SES-14也成功依賴電推完成定點。

問題在于阿里安5火箭的導航系統。這次任務比較特殊，是一條超同步轉移軌道。因此，阿里安5火箭的慣性制導單元中某個參數應該根據特殊飛行方位角需求被制定為70°，但是實際上還是設置為90°，最終導致火箭滾轉時往南多轉了20度——最后火箭在T+566的時候飛出了遙測范圍，也就丟失了信號。

控制系統故障

“宇宙神-阿金納B”制導算法變量錄入錯誤

1962年7月22日，“宇宙神-阿金納B”成功從卡納拉維拉爾角空軍基地發射升空，但任務很快失敗。宇宙神火箭關機前最后幾秒時火箭姿態發散，被任務控制中心引爆，碎片墜落到大西洋中。經過數個月的調查，問題浮現出水面。宇宙神火箭的制導算法基于平均速度計算，而在這個變量錄入導航計算機的時候，表示平均的一個小橫杠被忽略了，這樣雷達測量的瞬時速度就取代了平均速度。這個問題在以前也出現過，但沒有影響飛行。因為平時火箭通過天線四次接收地面站測量的速度數據，但這一次接收天線沒有鎖定地面，于是導航計算機自動切換至箭上的制導算法，并且引入了過校正使得火箭偏離了航線。

“宇宙神”發“水手1號”升空