俄罗斯质子火箭失败的教训

□ 松 鼠

2011年8月美俄等国家的航天发射都出现失败，可以说是航天史上的一个黑色八月，巧合的是，2012年8月7日俄罗斯“质子”火箭一箭双星发射Express-MD2和印尼的Telkom-3时又遭遇失败，虽然这只是2012年俄罗斯的首次航天发射失败，但是近年来俄罗斯航天发射屡屡出现事故，特别是“质子”火箭去年8月发射Express-AM4时最终卫星入轨失败，这不能不引起人们的思考。

“微风”-M上面级惹的祸

综合美国和俄罗斯媒体的报道，这次发射中“微风”-M上面级按计划将进行4次点火将两颗卫星送入地球静止轨道，俄罗斯航天局的消息称主发动机的第三次工作期间出现问题，第三次点火虽然按计划进行，但预定的18分零5秒的工作时间仅仅开始了7秒，“微风”-M的主发动机即关闭，导致两颗卫星无法入轨。俄飞行控制中心称两颗卫星进入了近地点266.7千米、远地点5020千米的轨道，北美防空司令部的轨道参数显示“微风”-M上面级和两颗卫星在近地点265千米、远地点5018千米、倾角49.9°的椭圆轨道上。由于卫星的轨道倾角过大、轨道高度太低，而且这两颗卫星预定是由“质子”火箭直接送入地球静止轨道，本身并没有多强的变轨能力，此次发射任务甚至无法像2009年我国发射Palapa-D卫星失利那样，通过卫星机动变轨进入静止轨道。这两颗卫星将在未来再入大气层烧毁，发射只能宣告失败。对于“微风”-M上面级出现故障的原因，俄媒体最初报道认为发动机自动关机的原因是推进剂输送管道堵塞，导致发动机涡轮泵工作异常，后来又认为推进剂箱的增压系统出现故障，最终导致发动机自动关机。虽然官方尚未做出最后结论，但发射任务的失败，“微风”-M上面级的责任是无法推卸的。

Express-MD2卫星在厂房中

印尼的telkom-3在厂房中

Express-MD2卫星

“质子”火箭可靠吗？

不同于苏联时代的财大气粗，今天的俄罗斯并没有那么多承受发射失败的本钱，这次失败后俄罗斯总理梅德韦杰夫发出警告，称这是给航天大国抹黑，俄罗斯还成立了内部委员会调查“质子”火箭“微风”-M上面级事故的原因并总结经验教训。不过以过去几年的历史看，“质子”火箭虽然多次出现事故，但在商业发射和本国发射的双重压力下很快再次投入发射，这次失败的调查更多是例行公事，如果一定要说可以进行什么有成效的改进的话，应该就是俄罗斯航天部门继续狠抓质量控制，但效果并不乐观。冰冻三尺非一日之寒，“质子”火箭的可靠性问题已经困扰了苏联和俄罗斯几十年了。

“质子”火箭是苏联时代研制并广泛应用的重型运载火箭，讨论可靠性问题，“质子”火箭的历史和设计问题是难以回避的。1968年11月16日“质子”火箭首次发射，此后它曾发射了“礼炮”1号到“礼炮”7号空间站、大型货运飞船、和平号空间站的各个舱段、国际空间站的曙光和星辰号舱段，还发射了大量的静止轨道卫星以及苏联的一系列深空探测器，在航天史上可谓劳苦功高。俄罗斯继承了苏联雄厚的航天工业，作为一个航天强国也具有极为强大的航天发射能力。自苏联时代开始航天发射以来，迄今为止联盟火箭总发射数量超过1700次，还创造了连续133次成功发射的记录，可靠性在运载火箭中独占鳌头。“质子”火箭是土星五号火箭之后、能源火箭之前一次性运载火箭的运力之王，发射数量迄今为止高达379次，其中336次发射成功，46次发射失败。“质子”火箭发射数量遥遥领先于紧随其后的美国大力神3/4系列火箭，凭借苏联时代的高发射量和低廉的发射价格，苏联解体后“质子”火箭成为商业发射市场的主力运载火箭之一。美国洛克希德马丁公司与俄罗斯赫鲁尼切夫设计局以及能源公司共同组建了国际发射服务公司，承揽商业通信卫星发射，直到今天仍与阿里安公司并称为国际商业卫星发射的双雄。

虽然“质子”火箭是商业卫星发射市场的主力之一，但它的发射成功率并不出色，姑且不论苏联时代“质子”火箭早期连续发射失败的历史，成熟后的“质子”火箭也只有约90%的成功率。如果只统计使用“微风”-M上面级的“质子”火箭的话，发射成功率更不乐观，62次发射中就有6次失败，其中5次失败源自“微风”-M上面级的故障。在去年8月和今年8月的两次失败之间，“质子”火箭已经进行了11次成功发射，其中10次发射使用“微风”-M上面级。在管理和质量控制水平没有显著提高的条件下，考虑到“质子”火箭和“微风”-M上面级的历史表现，今年8月7日的发射失败并不令人奇怪，保险公司也习以为常，远不到俄罗斯媒体尤其是总理梅德韦杰夫渲染的失去声望的程度。尽管这次发射失败算不上什么灾难，但是“质子”火箭发射成功率的问题，仍然是值得关注的，到底是哪些因素影响了“质子”火箭的可靠性呢？

印尼的telkom-3卫星

“质子”-M火箭发射失败

高轨道发射场的影响

1999年“质子”火箭的“微风”-M上面级首次服役，它源自轰鸣火箭(Rokot)的微风-K上面级。“微风”-M上面级大幅度提高了“质子”火箭的同步转移轨道和静止轨道运载能力，入轨精度上也有所提高。“微风”-M上面级高2.61米、直径4.0米，质量约2.37吨，携带的偏二甲肼/四氧化二氮可存储推进剂总质量约19.8吨。“微风”-M上面级具体可以分为两个部分：中央模块、环形附加推进剂储箱。中央模块包括仪器舱、推进剂储箱和发动机，携带约5.2吨的推进剂，是“微风”-M上面级的核心部分，其中发动机包括一台推力约2吨的14D30主发动机，另有四台11D458M推力调节发动机和12台17D58E姿态控制发动机。中央模块外的环形辅助附加模块可以看作副油箱，其自重约1吨携带了约14.6吨的推进剂，这些推进剂耗尽后附加推进剂储箱将会被抛弃以降低上面级的结构质量，这样的设计可以显著提高同步转移轨道和静止轨道运载能力。“微风”-M上面级的14D30主发动机最多可进行8次点火，上面级滑行时间最长可超过24小时，配合可抛弃辅助推进剂箱的设计，是一种设计十分巧妙的上面级。不过话说回来，“微风”-M上面级使用偏二甲肼/四氧化二氮推进剂，主发动机真空比冲只有326秒，运力无法与使用液氧液氢推进剂的上面级相比。为了尽可能提高运力，其设计过于复杂，无论是可抛弃的辅助推进剂储箱，还是过多的点火次数和过长的滑行时间，都降低了上面级的固有可靠性，这是“质子”/“微风”-M火箭频繁出现事故的重要原因。

在执行近地轨道发射任务时，“质子”火箭使用三级火箭构型，而在发射静止轨道卫星时则使用了四级火箭的设计。由于使用三级火箭的设计，外加使用高压补燃循环发动机，“质子”火箭的近地轨道运载系数较高，与之相比“质子”火箭的同步转移轨道运力并不出色。四级的“质子”火箭可粗略看作发射近地轨道载荷的三级“质子”火箭增加一个上面级，“质子”火箭原始设计上更适合近地轨道任务，而没有对发射同步转移轨道载荷进行多少优化，进入同步转移轨道和静止轨道主要依靠上面级实现，这是其同步转移轨道运力不高的一个原因。发射“质子”火箭的拜科努尔发射场存在纬度过高的问题，发射静止卫星时需要更多的速度增量改变轨道倾角，严重影响了“质子”火箭的同步转移轨道运力，这是“质子”火箭同步转移轨道运力不足、“微风”-M上面级需要多次点火的重要原因。

“质子”/“微风”-M火箭可将22吨的载荷送入国际空间站高度300多千米，倾角51.6度的轨道，根据转移到地球静止轨道的速度增量(ΔV)不同，它可将质量从5.25吨到7.5吨的载荷送入地球同步转移轨道，它还具备将最高3.7吨的载荷直接送入地球静止轨道的能力。“质子”/“微风”-M火箭的前三级和“质子”M火箭基本一致，它最大的特点是增加可多次启动的“微风”-M上面级，显著提高了火箭的运载能力和使用的灵活性。“质子”/“微风”-M火箭长度约60米，直径约4.1米，整流罩静态包络直径为3.87米，火箭起飞质量约705吨。“质子”/“微风”-M火箭第一级由一个装有四氧化二氮的中央储箱和外侧围绕的六个偏二甲肼燃料储箱组成，燃料储箱底部各装有一台RD-276分级燃烧循环发动机，“质子”火箭第一级地面起飞推力约1000多吨，发动机工作时间约2分钟。“质子”/“微风”-M火箭的第二级为3台RD-0210和一台RD-0211发动机，它们均为分级燃烧循环发动机，也仍然使用偏二甲肼/四氧化二氮推进剂，其总推力约245吨，工作时间约3.5分钟。“质子”/“微风”-M火箭的第三级为一台RD-0213发动机，其推力约59.5吨，工作时间约4分钟。“质子”/“微风”-M火箭最后的一段则是“微风”-M上面级，具备多次点火能力，可以多次变轨将卫星送入同步转移轨道甚至静止轨道。

“微风”-M上面级的5次失败占了“质子”/“微风”-M火箭6次发射失败的绝大部分，从80/20法则看，“微风”-M上面级是制约“质子”/“微风”-M火箭发射成功率的最主要原因。“质子”火箭尤其是“微风”-M上面级成功率不高，还有俄罗斯基础工业实力不济的原因。尽管在很多人的印象里，苏联和俄罗斯都是一个工业尤其是航天工业极其发达的国家，但苏联强大的航天工业都更多体现在运载火箭而不是卫星、探测器等载荷上，无论是传统的材料、机械、电气领域还是新兴的电子工业，苏联的技术水平都与西方发达国家存在不小的差距。苏联解体后俄罗斯工业遭受了崩溃性的打击，不仅无法尽快追赶技术差距，还出现了去工业化现象，并导致大量人才的流失和工业生产能力的衰亡，航天部门虽然依靠外国订单维持下来，但零部件供应体系和质量监管体系仍然受到不小的破坏。

拜科努尔发射场

“质子”-M火箭简介

火箭设计是主要问题

“质子”火箭分为多种型号，苏联解体后使用的型号主要包括三级运载火箭“质子”-K、“质子”-M和四级运载火箭“质子”-K/Block DM、“质子”-K/“微风”-M和“质子”-M/“微风”-M等型号，虽然俄美联合的国际发射服务公司早期曾使用“质子”-K/Block DM火箭，但俄罗斯目前进行静止轨道通信卫星的型号是“质子”-M/“微风”-M火箭，不做特殊说明的话，一般直接称之为“质子”/“微风”-M火箭。

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过多的火箭级数和多次点火长时间滑行的上面级，不可避免的带来了固有可靠性的下降。“质子”火箭发射成功率稳定在90%左右，级数更少的联盟火箭却达到了约97%。从两种俄罗斯运载火箭的对比看，“质子”火箭发射成功率难以进一步提高，火箭设计是最主要的原因。

“质子”-M运载火箭

“质子”-M运载火箭转场

工业实力不济、质量监管混乱

基于2005-2014年长三角地区的经验数据，表4报告了制造业结构影响因素的回归结果，回归时采用固定效应模型，具体面板回归结果见表4。

国家重大体制的改革，使原国土资源部门的事权发生了根本性的变化，单纯的行政管理职能已转为对自然资源所有权的行使主体。为自然资源综合管理提供服务支撑，未知空间很大。

比较表3和表4发现，两种零件的优化结果在成本变化量上存在较大差异，且零件B大于零件A。这是因为零件B成本范围的基数比A更大，在相同的成本调控方式下，B能减少的成本量更大。零件A的成本基数本来已经很小，即使引入成本调控，改变零件加工成本，可以影响的值也有限。

苏联解体后俄罗斯航天工业长期以来甚至没有严格的验收制度，其质量监管的混乱可见一斑。俄罗斯航天工业质量控制水平下降的问题，已经通过最近几年多次在成熟的火箭上出现低级错误体现出来，这其中不仅有对发射失败习以为常的“质子”火箭，甚至联盟火箭也“不甘落后”。2011年8月俄罗斯使用联盟火箭发射进步号货运飞船，但火箭第二级发动机出现推进剂输送管路堵塞，推进剂无法正常输送发动机关机，最终发射任务失败，这本是地面监测应该发现的问题。去年8月发射Express-AM4卫星的“质子”火箭也遭遇失败，事后调查指出生成飞行时序时导航周期设定过短，导致三轴稳定平台解算位置错误，最终失去遥测信息并进入错误的轨道，这更是发射准备的低级错误。今年8月的“质子”火箭发射，“微风”-M上面级储箱的气动增压系统发生故障，导致推进剂无法流入燃烧室，俄罗斯航天局前局长波米诺夫就认为是质量控制的人为因素引起的。以上事故很难说是运载火箭的设计问题，而更多是质量控制的问题，体现了俄罗斯航天工业监督管理的松弛和从业工人水平的下滑，这种慢性失血虽然不明显，但已经在啃噬俄罗斯航天工业的基础。

与俄罗斯航天的困境类似，中国航天也曾遭遇发射失败的低谷，但通过后来的一系列整顿，以严抓质量管理和产品检测，优化产品设计提高检测诊断能力，成功的实现了连续数十次的发射成功，这说明即使原始设计不够合理，运载火箭的可靠性仍是可以进一步提高的。俄罗斯未来将采取什么样的措施提高“质子”火箭发射成功率，是我们也十分关注的问题。如果“质子”火箭可以进一步提高成功率，对同样基于20世纪60年代技术的现有长征火箭，将是很有参考价值的。