未能抵站的进步M-27M飞船

郭筱曦 王霄 （北京空间科技信息研究所）

莫斯科时间2015年4月28日10∶09（北京时间15∶09），联盟-2.1a火箭按计划从哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天发射中心点火起飞，执行进步M-27M飞船的发射任务。该飞船是2015年俄罗斯第2艘向“国际空间站”运送补给的货运飞船。它在入轨后即发生了严重的并发故障，地面无法与其取得联系，处于失控翻滚状态。俄罗斯联邦航天局（Roscosmos）在莫斯科时间4月29日晚间宣布，此次任务无法挽救是不可避免的事实。进步M-27M于5月8日再入大气层。该任务失败造成的损失估计达26亿卢布（约合5050万美元）。

1 此次事故情况

事故基本情况

莫斯科时间4月28日10:09，联盟-2.1a运载火箭点火升空。10:18，即在火箭飞行了8min46s后，进步M-27M飞船与其分离。在此之前，火箭运转稳定，未报告任何异常，看起来是一次完美的发射。

进步M-27M“带病”被送入轨道

第一次故障先兆出现在关键的第三级火箭关机和船箭分离时的前后。在船箭分离前1.5s，火箭遥测数据完全丢失，飞船数据也出现中断。北美防空联合司令部（NORAD）提供的轨道参数显示，飞船进入了高于目标的轨道。船箭分离之后，飞船的遥测数据呈间歇性下传，所收集的数据仅够任务控制中心确认进步M-27M飞船太阳电池翼成功展开，但无法确认飞船上航向-NA（KURS-NA）交会系统天线展开状态和推进系统加压状态等。因此，任务被立即从6h的“快速交会”飞行模式切换至常规的两昼夜交会飞行模式，让地面控制人员有更多时间排查故障。如问题可以解决，则飞船可于4月30日与空间站对接。

莫斯科时间4月28日当天，飞船在4次飞经俄罗斯地面站测控范围时，任务控制中心都无法确认飞船系统状况。在飞船第3次经过俄罗斯地面站时，通过甚高频下传了一段长14s的视频，显示航向-NA系统被置于“测试模式”，同时显示了“姿态失控”等一系列告警。在飞船第4次经过俄罗斯地面站时打开了外部摄像机，成功向地面下传了一段长数分钟的视频，清晰显示飞船正在快速、不受控制地翻滚，证实了飞船遭遇严重故障，同时显示多个角速度传感器失灵告警。

俄罗斯地面控制人员一直在向进步M-27M飞船发送指令试图停止其旋转，但没有产生任何效果。在一个整夜的时间里，飞船都在轨道上被动快速翻滚，使挽救任务的可能性更加渺茫。

莫斯科时间4月29日凌晨04:50，进步M-27M飞船再次进入地面站测控范围，地面团队尝试向飞船发送指令将其切换至手动对接模式，但依然没有接收到任何数据。更严峻的问题是要节省飞船电力，因为自发射起，飞船太阳电池翼就没有保持对日定向。另外，飞船推进剂供给状况以及推进剂是否足够挽救任务也存在不确定性。在发射24h后，可能由于电池耗尽，飞船不再向地面发送任何数据。因为没有机会与飞船通信，任务控制中心也没有机会关掉飞船上的非必要系统。

美国战略司令部（USSTRATCOM）还跟踪到至少44个来自飞船或火箭第三级的碎片，分布在近地点153～180km、远地点172～365km的轨道上，考虑到碎片质量和轨道高度都很低，大部分碎片轨道寿命也极低。

美国军方认为，碎片出现及其在轨道上的扩散证实曾发生高能事件，或是加压系统（推进剂贮箱／管道系统、加压剂贮箱／管道系统、气瓶、压力容器）出现破裂，或是第三级火箭与飞船之间发生碰撞。美国空军一位新闻发言人称:“考虑到（碎片高度），以及飞船比预定初始轨道高30～40km的事实，我们可以肯定地说，在船箭分离时刻发生了爆炸。”

由于没有能力指挥飞船，考虑到碎片数量，飞船可能受损严重，以及电池不再为飞船供电，在所有尝试联系飞船的努力均以失败告终后，4月29日，任务控制中心被迫接受了任务失败的事实。

俄官方关于事故的说明

莫斯科时间4月29日晚间，俄罗斯联邦航天局发表正式声明，称此次任务失败已成事实。据俄罗斯航天官员称，现在可以确定，飞船与火箭第三级分离时出现了严重问题。数据分析显示，当时火箭和飞船的数据几乎同时丢失，这表明发生了致使任务失败的灾难性事件。专家还确认，飞船主推进系统失压，飞船进入翻滚状态，每4.5s旋转一周。

在此次任务被正式认定为失败后，俄罗斯联邦航天局组织相关机构和专家开始对进步M-27M飞船故障原因进行详细调查，包括对火箭第三级性能进行详细的数据分析；对飞船下传的有限遥测数据也进行了详细检查,以拼合出最有可能的故障情形。

失控的进步M-27M货运飞船最后再入大气层

莫斯科时间5月12日,俄罗斯联邦航天局公布了初步调查结果:火箭第三级主发动机开机之后,氧化剂贮箱和燃烧剂贮箱接连失压,是导致飞船偏离目标轨道的直接原因。但针对根本原因的调查工作还在继续，还需进行更深入的理论分析、计算建模和一系列试验。

6月1日，负责调查此次事故的俄罗斯跨部门委员会会议公布了最终调查结果：由于飞船和火箭的频率和动态特性导致两者配合出现问题，结果导致运载火箭第三级和货运飞船分离异常，飞船损坏。在研制飞船和火箭组合体时并没充分考虑其结构特性。目前，俄罗斯联邦航天局已针对飞船和火箭组合体的进一步飞行试验制定工作计划。

6月9日，俄罗斯联邦航天局重新调整了2015年的载人航天发射计划，货运飞船的发射计划也做出了相应调整。

2 事故后续影响取决于调查结果

俄罗斯航天官员在宣布任务失败时不无悲伤地说:进步M-27M飞船到不了“国际空间站”了。但这不会对在站上生活和工作的6名航天员构成直接威胁。站上有充足的补给品，至少能维持4个月正常运行，且进步M-26M飞船还正在与空间站对接，可为空间站提供推进保障。

定于今年下半年发射的第5艘日本“H-2转移飞行器”

唯一会威胁空间站运行的是“联盟”／“进步”飞船长期停飞或“联盟”系列火箭Block I第三级停用的可能性，考虑到“联盟”／“进步”这两种飞船上各系统的高度通用性，Block I也是目前所有执行俄罗斯“国际空间站”载人及货运任务的联盟-U、FG和2.1a火箭通用的部件。从目前的调查结果看，联盟-2.1a火箭和进步M-M飞船都不会停飞，但两者可能不会再组合飞行。

继2014年10月美国“天鹅座”飞船在执行第3次任务发射时火箭爆炸、船箭俱毁而导致停飞后，“进步”飞船如今也陷入困境。“进步”是目前唯一能向空间站转移补加推进剂的飞船，是空间站维持自身轨道、执行碎片规避机动和调整姿态所必需的。除“进步”飞船以外，当前在用的“国际空间站”货运飞船只有美国太空探索技术公司的“龙”飞船（今年6月28日发射时失败）和日本“H-2转移飞行器” （将于今年下半年发射）。“天鹅座”货运飞船有望于今年年底复飞。欧洲“自动转移飞行器”本也可以向空间站运送补加推进剂，但它已于年初结束第5次任务后正式退役。不过，进步M-28M于今年7月3日由联盟-U火箭发射成功。

3 俄罗斯飞船近年故障频发

打造联盟-2.1a运载火箭

总体而言，俄罗斯的载人及货运飞船技术高度成熟，并具备每年多艘的生产制造与发射能力。“联盟”／“进步”系列飞船经数十年飞行和改进，已被公认为全球可靠性最高的载人／货运飞船。但最近几年来，这两个系列飞船均频发在轨故障，地面系统运行也不太稳定，甚至在2011年8月出现了“进步”系列飞船历史上第一次发射失败，引起业内对俄罗斯载人航天能力水平下滑和管理混乱的质疑。

请注意，在此次事故中飞船在入轨时出现了“过度执行”。回顾2014年，联盟TMA-12M、14M载人飞船发生了两次在轨故障，虽故障情形各不相同，但这两次飞船入轨过程中也都出现了“过度执行”，即实际轨道参数高于目标轨道参数，其中，联盟TMA-12M飞船“过度执行”引起的轨道偏差间接导致了故障发生，是俄罗斯载人及货运飞船在采用“快速交会”模式后首次临时中止。联盟TMA-14M飞船在入轨后左舷太阳电池翼未能按计划展开，飞船保持单侧翼展开的飞行姿态与空间站对接。

进步M-27M飞船所采用的航向-NA系统是基于雷达的交会系统，继承了“航向”等旧型号特性，能保证飞船执行完全自动化的交会、接近和对接程序，并改进性能、减轻质量、降低功耗，使系统效率更高。新型航向-NA系统在2012年7月发射的进步M-15M飞船和2013年11月发射的进步M-21M飞船上进行过2次飞行试验，但都未成功，导致进步M-15M飞船二次对接失败，进步M-21M飞船自动对接失败。2013年4月，进步M-19M飞船采用另一新型号航向-A系统，其中一根天线在对接过程中也未能正常展开。

4 执行此次任务的运输系统

运载火箭

这是第2次用联盟-2.1a运载火箭发射“进步”系列飞船。自1973年起，均由联盟-U火箭执行“进步”系列飞船的发射任务。上一次使用联盟-2.1a火箭发射“进步”飞船非常成功，将进步M-25M飞船几乎毫无偏差地送入目标轨道，显示了新型号火箭的出色能力。

俄罗斯主力“联盟”系列火箭衍生自冷战时期研制的R-7导弹。联盟-2.1a是“联盟”系列火箭的新型号，与此前的“联盟”型号火箭几乎相同，只将控制系统从模拟式升级到数字式，可提高火箭的灵活性和稳定性。

货运飞船

从1973年开始，“礼炮”系列空间站的研制方TsKBEM（现名为俄罗斯S.P.科罗廖夫能源火箭航天集团公司）先后研制并发射了“进步”、进步M和进步M1三种型号的货运飞船，至今成功发射过各型号的“进步”系列货运飞船149艘。现役的进步M-M是进步M的子型号，于2008年首飞，采用三舱设计，能够独立飞行30天。按照2015年公布的最新计划，将于今年11月升级为进步-MS，并继续执行“国际空间站”货运任务，每艘飞船外部安装4个发射货柜，每次可发射24颗立方体卫星。

进步M-27M飞船共携带了879kg推进剂、49kg氧气、42kg水和1418kg干货。干货包括备用配件、补给品和科学实验材料。“进步”系列货运飞船运送每千克货物的成本为22000～25000美元。