进步 MS－04货运飞船发射失败原因分析

徐映霞 王霄 （北京空间科技信息研究所）

进步 MS－04货运飞船发射失败原因分析

Analysis on the Reasons of Launch Failure for Cargo Ship Progress MS－04

徐映霞 王霄 （北京空间科技信息研究所）

莫斯科时间2016年12月1日，联盟－U（Soyuz－U）运载火箭搭载进步 MS－04（Progress MS－04）货运飞船从哈萨克斯坦拜科努尔发射场发射升空，原计划于12月3日对接“国际空间站”（ISS）星辰号（Zvezda）服务舱。然而，在起飞后383s时，火箭遥测突然消失。这是俄罗斯一年半以来发生的首次重大航天事故。初步掌握的资料显示，本次事故让俄罗斯航天国家集团（ROSCOSMOS）蒙受超过40亿卢布（约合6300万美元）的经济损失。2017年1月11日，俄罗斯航天国家集团宣布了进步 MS-04货运飞船发射失败的可能原因。

1 事故基本情况及原因初步分析

事故基本情况

此次任务计划采用在轨飞行2天、绕地球34圈的飞行程序，正常情况下，飞船应于莫斯科时间12月3日17：18：23开始与“国际空间站”自主交会过程，于19：43：06对接星辰号服务舱。

联盟－U火箭和进步 MS－04货运飞船在垂直起飞后，以51.66°的轨道倾角朝赤道飞行。第一级的4个助推级在飞行118s时与火箭分离，第二级点火，大约飞行159s时抛离整流罩，飞行285s时第二级关机，由第三级继续提供飞行动力。直到382s一直处于正常飞行状态，然而383s时火箭遥测突然中断。

俄罗斯任务控制中心的报道称，根据联盟－U火箭的标准上升剖面，第三级火箭的RD－0110发动机应在飞行8min46s时关机，3s后与“进步”飞船分离，但这两个发射成功的标志性事件在实时遥测读数中均未得到确认。俄罗斯国家航天集团在12月1日的声明中也确认，与火箭的通信在飞行6min23s时中断，此时“联盟”火箭的高度预计约190km，火箭第三级本应继续点火2min23s。

在预期的分离时间之后收到飞船的间歇信号，确认“航向”（KURS）导航天线已展开，但未能确定太阳电池翼是否展开，只能使用无线电跟踪来确定飞船的轨迹。

另据俄罗斯媒体报道，在距拜科努尔航天发射场约2000km的图瓦共和国人口稀少的偏远地区上空观测到一次爆炸，地面震颤，伴有碎片坠落，爆炸时间和地点与联盟－U火箭第三级的飞行轨迹刚好吻合。在图瓦的偏远林区还发现了进步 MS－04飞船的残骸。

莫斯科时间20：39，俄罗斯航天国家集团宣布其跟踪设施未在预定轨道监测到进步 MS－04飞船。根据初步信息，发射异常发生在图瓦共和国人烟稀少和崎岖区域、高度190km的上空，大部分飞船碎片在再入大气层时烧毁。

此次发射是联盟－U火箭退役前的倒数第二次发射，最后一次计划在2017年初发射，之后将由新一代联盟－2系列火箭替代。此次发射是2016年俄罗斯第3次、也是最后一次向“国际空间站”运送货物，同时这是“进步”飞船第156次执行货运任务，也是第67次执行“国际空间站”货运任务。

初步分析

俄罗斯航天国家集团已经成立了调查委员会，着手调查联盟－U运载火箭通信异常的原因。初步分析显示，直至飞行383s遥测数据消失前没有发现任何问题。

2017年1月11日，俄罗斯航天国家集团宣布了进步 MS－04货运飞船发射失败的可能原因。这次事故是由于联盟－U火箭第三级与飞船未能按计划分离导致。第三级火箭的RD－0110发动机（编号为11D55）出现故障，导致氧化剂泵起火并解体之后，运载火箭第三级氧化剂贮箱解体。氧化剂泵起火并解体的原因可能是由于11D55发动机装配过程中的违规行为，使泵腔内掺入外来的颗粒物，使得该泵的轴与连接套筒之间、浮动密封环和叶轮之间出现错误间隙，从而导致转子失衡并震动。

“进步”飞船近年发射故障情况

近年来，“进步”飞船遭遇3次失败。第一次是在2011年8月联盟－U火箭发射进步 M－12M飞船时发生的，当时调查委员会确定的事故原因是：推进剂管路堵塞，导致RD－0110发动机推进剂压力下降，箭载计算机检测到压力下降后，发指令使火箭第三级提前325s关机。

“进步”飞船第二次故障是在2015年4月发射进步 M－27M飞船时发生的，火箭第三级关机时，改进的第三级结构和进步 M－27M飞船之间出现意外碰撞，导致飞船严重受损。虽然飞船已经入轨，但无法从失控状态恢复，因而未能完成货运任务。

此次发射最初定于2016年7月1日，但随后“国际空间站”的一系列任务均遭遇推迟，使发射时间推迟到10月20日，之后再次推迟到2016年12月1日。

进步 MS－04飞船最后的发射准备活动是从11月17日开始的。11月22日完成飞船的推进剂加注。11月24日，飞船安装到运载火箭适配器上。1天后，对飞船进行最终检查，然后将飞船装到整流罩内。11月27日，有效载荷段开始与火箭第三级集成，然后上面级组合体与联盟－U火箭连接。全部组装完成后的第二天，运载火箭移到发射台。

联盟－U火箭和用于发射“联盟”载人飞船的联盟－FG火箭都使用同样的“弗雷盖特”（Fregat）上面级，2周前发射联盟 MS－03飞船、6周前发射联盟 MS－02飞船时，上面级都表现出卓越的性能。

2 联盟－U火箭及进步 MS－04飞船介绍

联盟－U火箭

“联盟”系列运载火箭由进步国家火箭航天科研中心（TsSKB-Progress）研制，从R－7导弹发展而来。联盟－U火箭于1973年首飞，已经服役40余年，飞行次数达775次，成功率超过97%，是服务年代最长、轨道发射次数最多的火箭，并且被认为是发射市场最可靠的火箭之一。“联盟”系列火箭是目前唯一具备“国际空间站”载人运输能力的运载火箭。

目前，“联盟”系列火箭还有联盟－U、2、FG火箭在用。俄罗斯官方计划停用联盟－U火箭，从2014年开始逐步由更先进的联盟－2系列火箭替代。联盟－2系列火箭上使用了现代化的飞行控制和制导系统，改进了制造过程，联盟－U火箭上的许多部件仍将在联盟－2系列火箭上继续使用。

联盟－U本身用于近地轨道和太阳同步轨道发射，增加上面级后，可用于包括地球同步转移轨道的多种轨道发射。目前，联盟－U火箭主要用于“进步”货运飞船发射，完成“国际空间站”运输补给任务，偶尔也用于发射军事侦察卫星。

进步 MS－04飞船

进步 MS飞船在进步 M－M飞船的基础上，使用了数字航空电子设备。飞船包括3个舱：货舱、补给燃料舱和仪器-服务舱。

进步 MS飞船使用新的航向－NA（Kurs－NA）交会系统替代了原来的航向－A交会系统，以提高对接过程的可靠性和安全性；并用AO－753A型天线替代2AO－VKA和AKR－VKA型天线，保留了原来的2ASF－M－VKA天线；新的SUD飞行控制系统可通过俄罗斯“全球卫星导航系统”（GLONASS）导航卫星自主测量交会轨迹，不需再通过地面站进行测量；通信系统使用无线电指令系统（EKTS）取代了老的量子－B（Kvant－B）系统，从而能够通过“射线”数据中继卫星实现飞船与俄罗斯地面站的实时联络，地面站既可通过“射线”卫星，也可直接向飞船发送命令并接收遥测数据；飞船还增加了流星体防护系统、闪电防护系统、新的发光二极管照明系统SFOK、改进的BDUS－3A型角速度传感器；对接口增加了备用电动驱动机构；采用新的数字电视系统取代了旧的“交喙鸟”（Klest）模拟电视，飞船和空间站可通过船上无线电频道联络。

另外，从第3艘进步 MS飞船开始，飞船可选装立方体卫星释放装置。

此次，进步 MS－04飞船载有2442kg的货物，包括用于俄罗斯航天员舱外活动的改进型海鹰-国际空间站航天服（Orlan－MKS）、微型温室以及水和尿循环使用实验系统等。

3 后续影响

“国际空间站”内的6位航天员在12月1日已经得知进步 MS－04货运飞船发射失败，并且处之泰然。目前在没有货物到达的情况下，“国际空间站”内的必备物品储备足以用到2017年3月，水和食物等关键物资可维持到2017年6月初。

2016年12月9日，日本成功发射了H－2转移飞行器，并于12月13日与“国际空间站”成功对接。后续的运输补给计划包括：2017年3月发射轨道-ATK公司的“天鹅座”飞船，2017年初，太空探索技术公司（SpaceX）的“龙”飞船也将回归发射。俄罗斯的“进步”飞船原定于2017年2月1日再度发射，但可能会因此次发射失败而调整。后续发射次数也会根据空间站货物储存状况调整，需要的话会在现有的基础上有所增加。

另外，“联盟”火箭分别在2016年10月19日和11月17日将6名航天员运达“国际空间站”，最早的返航时间应在2017年5月中旬，因此，即使此次“联盟”火箭的故障分析需要持续一段时间，也应不会影响航天员的运送。

4 几点分析

进步 MS－04失事前的2016年11月27日，俄罗斯副总理德米特里·罗戈津还在政府工作会上表示，目前俄罗斯已经摆脱了“失败、令人遗憾的事故与灾难的阴霾”。回顾俄罗斯近年来航天工业发展，不难看出，航天事故并非“偶然”，仍有其深层次原因。

改革治标不治本，质量监管不到位

2011年以来，俄罗斯连续发生的5次重大航天事故引起高层官员高度重视，此后，俄罗斯开始逐渐探索本国航天工业的改革之路。2014年，俄罗斯总统普京批准罗戈津的改革提案，组建联合-火箭航天集团（ORKK）开启首轮改革，主要包括股份制改造，产品转型升级，企业重组合并，希望通过建立现代的企业制度来提升管理效率，增强竞争力。2015年，俄罗斯开启第二轮改革，撤并俄罗斯联邦航天局（Roscosmos）和联合-火箭航天集团，成立俄罗斯航天国家集团，以期通过建立兼具“行政职能”和“企业角色”的国家集团来提升竞争力，恢复航天大国实力。

但实际上，俄罗斯的航天工业改革虽然“大刀阔斧”，却未能根治内部顽疾。质量监管不到位，俄罗斯在轨测试和运行中暴露出来的航天器故障问题越来越多，大多数都归因于缺少地面试验，过分依赖计算，没有进行全尺度的试验，同时俄罗斯航天的整个试验基础设施也过于陈旧，亟待更新和重建；俄罗斯国产设备技术水平不足和技术实际应用程度低的现象一直存在，如今设备和技术老化的缺陷已是有目共睹；此外，俄罗斯航天业内部贪污腐败不绝，一系列航天事故的发生牵扯出航天业内部贪污腐败案件，贪腐问题仍然十分严重；改革之后，行业内部得到统一，但垄断现象更加严重，原本应受到扶持的私人航天企业无法得到切实发展，航天商业化发展艰难且缓慢，外部竞争全部来自其他国家，本国相关企业不存在竞争，这对企业自身发展并无益处。

预算经费不足，人才断档严重

对于俄罗斯航天目前存在的问题，俄罗斯航天研究院院士谢尔盖·茹科夫认为，俄罗斯航天业当前的瓶颈主要在于机制缺乏、人才断档和经费紧张。政府、科研机构和企业之间协调机制建设滞后，长期以来，俄罗斯航天局（现俄罗斯航天国家集团）需要自己制定发展目标并承担责任，所以倾向于选择保守路线。俄罗斯国家杜马工业委员会主席索布科称，20世纪90年代，航天领域许多科学家和工程师失业改行，导致现在能够担任业务骨干和核心领导的技术人员明显不足。据俄罗斯《武器出口》杂志报道，目前俄罗斯航天领域一线工作人员中奇缺中年专家，有40%以上年龄超过60岁，另有35%为年轻人。

目前，俄罗斯面临的复杂经济形势无疑让航天事业雪上加霜。2015年，俄罗斯用于航天领域活动的政府财政预算减少了10%。《2016－2025年联邦航天计划》的预算从2万亿卢布削减到约1.4万亿卢布。由于预算总额减少以及汇率变化等原因,俄罗斯航天国家集团公司还被迫削减了2016－2025年“国际空间站”维护费用近300亿卢布，计划将每年发射4次“进步”货运飞船减少至每年3次。经费总额减少导致研发经费不足，进而导致整个生产研制过程无法达到预计标准。

王晓宇/本文编辑