美国运载火箭失利对我国火箭研制的启示

◎北京宇航系统工程研究所 牟宇 徐利杰 秦旭东

美国运载火箭失利对我国火箭研制的启示

◎北京宇航系统工程研究所 牟宇 徐利杰 秦旭东

运载火箭作为复杂巨系统的典型代表，具有技术难度大、飞行环境恶劣、系统构成复杂等特点，但作为航天高价值有效载荷的运载工具，高可靠性始终是对运载火箭最为重要的要求。笔者通过分析Falcon、Delta 4、Taurus、Antares等美国火箭在飞行任条中出现的失利情况，剖析其故障机理，以期获得它山之石可以攻玉的效果，为我国运载火箭的研制提供借鉴。

一、美国运载火箭失利情况剖析

1.Falcon系列火箭

（1）飞行失利情况

SpaceX公司成立初期，由于其相对缺乏成熟的宇航产品研制经验，研制的第一型运载火箭Falcon 1在历经3次飞行失利之后才获得成功。

2006年3月24日，Falcon 1火箭首飞发射“猎鹰星”2号技术验证卫星失败。调查分析结果显示，位于燃料泵入口压力传感器上的铝制B型螺母因粒间腐蚀而出现裂缝，导致燃料泄漏使发动机在发射34秒后停止工作。2007年3月21日，Falcon 1火箭的第2次发射仍然失败。根据飞行数据分析的结果发现，火箭发射过程中发生多处异常情况，包括火箭第一级轨道性能问题、第二级推进剂利用问题、级间分离时发生碰撞问题、第二级控制问题等。2008年8月3日，在第3次发射任条中，因火箭一级发动机关机后的后效推力仍对火箭一子级产生加速作用，导致一、二级相撞，飞行失利。

2015年6月28日，Falcon 9火箭在肯尼迪航天中心的LC-40工位发射，执行第7次国际空间站商业货运补给服条任条。火箭飞行至139秒，箭体在空中发生解体。SpaceX公司在经过对飞行数据的详细分析后，将故障定位于二级氧箱内一个用于固定高压气瓶的支架，由于其全部浸没在密度较大的液氧中，使箭体在飞行过程中承受着逐渐增大的过载并发生断裂，导致气瓶冲撞贮箱壳体，造成高压氦气快速泄漏，进入氧箱使其压力上升，在短短的0.9秒时间之内造成贮箱结构破坏，并最终使得飞行失利。

（2）深层剖析

Falcon 1火箭的3次失利原因各不相同，但从中可以看出，对于刚刚成立的私营航天公司而言，其在前期火箭研制中相对缺乏研制经验，在推进剂晃动、发动机后效计算等方面表现出缺乏相应的设计经验，暴露了在动力系统单点失效环节、介质相容性分析等质量管理及风险控制手段上尚欠火候。

Falcon 9系列火箭的连续成功表现出了私营商业航天公司难得的高可靠性，然而第19次发射任条的失利也再次应证了“成功就是差一点的失败”的名言，暴露了其在影响火箭飞行成败的单点失效环节识别上还存在漏洞，未对诸如气瓶支架等小尺寸结构产品的环境适应性引起足够的重视，同时也显现出私营商业航天公司在追求商业利益的同时，忽视了对其产品可靠性的要求，针对支架内产品缺乏充分的地面试验验证，造成了飞行失利。

2.Delta 4H火箭

（1）飞行失利情况

2004年12月21日，联合发射联盟（ULA）的Delta 4H火箭从卡纳维拉尔角37号发射工位起飞，经过5小时50分钟的飞行后Demosat载荷成功分离，但是轨道比预计轨道要低。飞行中，虽然助推和中心主发动机均安装了液氧耗尽关机传感器，但都比计划的关机时间提前了6秒。这导致二子级第一次点火的时间比预计的要长，载荷未能进入预定轨道。

ULA在发射出现事故后便启动了异常调查，最终原因确定为由于输送管路自身的流动阻力引起了液氧输送系统的汽蚀。汽蚀效应（空泡）延伸到了发动机耗尽关机传感器的位置，导致传感器显示贮箱中的燃料已耗尽，发动机提前关机，而事后的贮箱飞行液位数据显示，贮箱内还有足够的推进剂可完成第一阶段飞行任条。

（2）故障深层剖析

ULA为了消除类似汽蚀现象，采取的主要措施是增加液氧贮箱压力，抵消管路中的流动阻力。但从中也可以看出ULA在研制过程中对于影响全箭飞行可靠性的关键环节未能全面识别，没有针对相应环节开展冗余措施，提高整个系统的工作可靠性，并最终造成了飞行试验的失利。

3.Taurus火箭

（1）飞行失利情况

2011年3月4日，“荣誉号”卫星搭乘轨道科学公司研制的四级小型固体火箭Taurus XL从范登堡空军基地起飞。火箭起飞后前两级工作正常，随后遥测数据显示三、四子级点火分离及卫星分离按照预定时序进行，但整流罩部分未脱离，最后导致卫星没有足够速度抵达预定轨道，星箭一同落入南太平洋，飞行任条失败。

在此之前的2009年2月，Taurus火箭采用相同直径的整流罩执行“嗅碳”卫星发射任条失利，其失败原因也是整流罩分离失败。

2011年3月8日，NASA与轨道科学公司成立故障调查委员会，对故障原因进行调查，调查结果将故障最终锁定为整流罩前端侧滑轨未能分离，主要原因包括侧滑轨组件对于火药固定器失效的敏感性在发射之前并未检测出来，火箭加速、振动、冲击等环境的不断变化，以及轨道科学公司整流罩制造工艺变化可能导致火药固定器失效。

（2）故障深层剖析

此次飞行任条失利表面上看是轨道科学公司在生产过程中未严格按照NASA的火工品设计要求，在生产过程中出现生产材料特性和硬件尺寸的变化，最终影响火箭性能；从深层次上来看仍暴露出轨道科学公司在运载火箭研制和产品生产过程中未能很好地平衡可靠性与发射利润的关系，在产品研制过程中未能实现对分离装置从产品生产、工艺实现、试验及测试的全流程质量管控。相关问题的反复出现也暴露出轨道科学公司在运载火箭研制领域的质量管控手段尚显稚嫩，未能有效抓住问题关键环节从而彻底解决。

4.Antares火箭

（1）飞行失利情况

2014年10月28日，轨道科学公司研制的固液混合运载火箭Antares 130型搭载“天鹅座”飞船执行该公司第3次国际空间站货运补给任条。火箭从美国弗吉尼亚州瓦勒普斯岛发射，但升空后6秒钟后火箭失去推力坠落并发生爆炸，飞行任条失败。

事后调查指出，火箭失败的直接原因是安装在一台主发动机位置上的液氧涡轮泵爆炸，随后毁坏了另一台发动机。事故的根本原因定位于3个可能的技术故障：一是AJ-26液氧涡轮后轴承的设计鲁棒性不充分；二是E15发动机液氧涡轮泵中存在多余物；三是液氧涡轮泵生产或其它工艺缺陷。

（2）故障深层剖析

在前期的发动机试车中曾经发生了一次爆炸故障，但未能引起轨道科学公司的足够重视，造成了后续的惨痛失利。在火箭产品生产过程中需要关注多余物的控制，围绕单机生产、装配、测试、验收、总装等关键环节，并结合环境、人员、设备、工艺等因素，对多余物控制措施及产品质量进行检查确认，保证产品质量。

此外，与SpaceX公司不同，轨道科学公司在关键的发动机研发方面主要基于对俄罗斯NK33发动机的引进和吸收，未能获取其核心技术，这也造成公司在对发动机的质量管控上捉襟见肘，在已经发生试车故障的情况下仍未能有效定位产品设计隐患及缺陷，使得可能的发动机故障带入飞行任条，酿成大错。

二、对我国火箭研制的启示

通过对美国各型火箭飞行失利情况的分析，可以看出即使在美国这样的航天强国，不管是像ULA这样的传统航天企业，还是像SpaceX这样新型的私营商业航天公司均在飞行任条中出现了或多或少的失利。一方面说明航天领域高风险的特点，另一方面也说明发射可靠仍是各个公司持续追求的目标。

1.充分而全面的试验尤为重要

不管是Falcon 1火箭出现的分离计算发动机后效偏差造成助推级碰撞二子级，还是轨道科学公司对Taurus火箭整流罩分离系统只进行缩比试验造成整流罩未分离，都说明在运载火箭研制过程中进行充分而全面的地面试验的重要性。特别针对首次开展飞行任条的火箭，由于其采用了大量未经飞行验证的新技术，地面试验的试验边界不够真实，可能造成考核的不充分，带来飞行隐患。因此，在研制初期地面试验策划时应注重其全面性和充分性，确保成熟度较低和涉及飞行成败的关键技术得到试验验证。

2.单点失效环节的识别尤为重要

运载火箭搭载的高价值有效载荷发射任条使其采用了大量冗余措施以提升其飞行可靠性，但仍然会存在各种单点失效环节，如Delta 4H火箭耗尽关机传感器的误关机信号、Falcon 9火箭贮箱内的高压气瓶支架等，若未有效识别，应在方案设计前期尽量采用冗余措施，对不能实施冗余的需要加强产品质量的过程监控和测试检验，才能确保不会付出飞行失利的惨痛代价。

3.动力系统是重点关注的环节

据统计，1990～2015年间的126次发射失败中，由于推进系统故障导致失败的共有64起，占全部发射失败的51%。液体火箭发动机故障表现形式多为推力不足、点火失败、提前关机，其主要原因为推进系统部件故障、有多余物以及燃烧不稳定等。因此，在火箭研制工作中应十分重视动力系统设计正确性的地面试验验证，严格控制生产过程质量，确保其满足上天飞行的可靠性要求。