2011年國外航天故障綜述

劉豪（北京空間科技信息研究所）

□□2011年度全球共進行84次運載火箭發(fā)射活動，共發(fā)射各類航天器142個（含發(fā)射失?。?，發(fā)射數(shù)量比2010年明顯增多，但發(fā)射失敗和在軌發(fā)生故障的航天器也顯著增加。全年國外共發(fā)生航天器故障事件74次，涉及58個航天器，其中發(fā)生I類故障（導(dǎo)致航天器全損或任務(wù)失敗的重大故障）的航天器有15個，發(fā)生II類故障（導(dǎo)致航天器部分功能喪失或壽命顯著減少的重要故障）的航天器有25個。

1 I類故障統(tǒng)計

在I類故障中，運載火箭故障有5次，導(dǎo)致8個航天器全損；另有7個航天器發(fā)生重大在軌故障，導(dǎo)致任務(wù)失敗或衛(wèi)星退役。

2011年度發(fā)射失敗的航天器

2011年度在軌失效的航天器

GPS－2RM在軌飛行示意圖

GPS－2A衛(wèi)星在軌飛行示意圖

2 航天器在軌故障分類

在所有66次在軌故障事件中，軍用航天器故障事件9次，占13.6%；民用航天器故障事件30次，占45.5%；商用航天器故障事件27次，占40.9%。

2011年度航天器在軌故障按部位分類

2011年度航天器在軌故障按衛(wèi)星類型分類

2011年度航天器在軌故障按制造商分類

3 典型航天器故障

俄羅斯地球－IK－2衛(wèi)星發(fā)射失敗

2011年2月1日，地球－IK－2衛(wèi)星由呼嘯/微風－KM火箭從俄羅斯普列謝茨克發(fā)射場發(fā)射升空，但衛(wèi)星沒有在預(yù)定時間2月1日18：36進入預(yù)定軌道。經(jīng)分析認為，故障原因可能是“微風”上面級飛行控制系統(tǒng)或陀螺定向裝置故障，導(dǎo)致推進系統(tǒng)按預(yù)定時間點火后將衛(wèi)星送入了錯誤軌道。

在發(fā)生故障后，飛行控制系統(tǒng)進一步執(zhí)行了指令，使上面級與衛(wèi)星分離。發(fā)射的目標軌道是約1000km高的圓軌道，而衛(wèi)星被送入了近地點320km、遠地點1052km、傾角99.46°的橢圓軌道，導(dǎo)致衛(wèi)星無法正常工作。2月23日，該衛(wèi)星在橢圓軌道上再次發(fā)生在軌故障，其太陽敏感器失效導(dǎo)致衛(wèi)星失控，地面控制人員采取了各種措施均未能成功挽救，衛(wèi)星全損。

搭載著進步 M－12M貨運飛船的聯(lián)盟－U運載火箭發(fā)射升空，但飛船未能進入預(yù)定軌道

“火衛(wèi)一-土壤”火星探測器模型

地球－IK－2衛(wèi)星是俄羅斯開展地球物理場測量雙星編隊的首顆衛(wèi)星，主要用于導(dǎo)彈目標定位和巡航導(dǎo)彈路線規(guī)劃。據(jù)估計，僅衛(wèi)星方面的損失就至少為10億盧布。

俄羅斯快訊－AM4衛(wèi)星發(fā)射失敗

北京時間2011年8月18日05：25，俄羅斯從哈薩克斯坦境內(nèi)的拜科努爾發(fā)射場利用質(zhì)子－M/微風－M上面級火箭發(fā)射了快訊－AM4靜止軌道通信衛(wèi)星，但由于火箭故障，導(dǎo)致衛(wèi)星發(fā)射失敗。

事故調(diào)查結(jié)論為陀螺控制程序時間間隔設(shè)計錯誤，造成上面級方向錯誤，衛(wèi)星被送入錯誤軌道，而星上燃料不足以將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道位置。衛(wèi)星部分展開了太陽電池翼并進入安全穩(wěn)定的“備用”模式，該衛(wèi)星保險索賠3.04億美元。

俄羅斯進步 M－12M飛船發(fā)射失敗

莫斯科時間2011年8月24日17：00，搭載在進步 M－12M貨運飛船的聯(lián)盟－U運載火箭從拜科努爾發(fā)射場發(fā)射，升空325s后，火箭第三級發(fā)生故障，未能將貨運飛船送入預(yù)定軌道，這是進步號貨運飛船飛行歷史上首次發(fā)射失敗。飛船最終爆炸，碎片散落在西伯利亞南部阿爾泰共和國境內(nèi)的山區(qū)。

承擔發(fā)射任務(wù)的聯(lián)盟－U運載火箭由中央特種設(shè)計局進步國家火箭與航天科研中心（TsSKB－進步）設(shè)計和建造，于1973年5月18日首飛，成功將一顆軍事偵察衛(wèi)星送入軌道。目前，該火箭的近地軌道有效載荷運載能力為7.3t，起飛質(zhì)量約305t。38年飛行歷史中，聯(lián)盟－U運載火箭共成功發(fā)射了745次，失敗了21次，成功率達97.26%。

此次飛行中，在火箭第三級點火約 20～25s后，檢測到渦輪尾部燃料壓力突然降低，控制計算機關(guān)閉了發(fā)動機。調(diào)查報告稱，由于燃料管堵塞，致使氣體動力發(fā)生器無法向發(fā)動機供給燃料和氧氣，而造成缺陷的原因歸咎于制造過程中的疏忽。

俄羅斯“火衛(wèi)一-土壤”火星探測任務(wù)失敗

北京時間2011年11月9日04：16，搭載我國螢火－1火星探測器的俄羅斯“火衛(wèi)一-土壤”火星探測器由天頂－2SB運載火箭發(fā)射升空。688s后探測器與火箭第二級分離，按計劃探測器上的主發(fā)動機將在此后啟動，并通過2次點火將探測器送入飛往火星的軌道。

然而，星箭分離后飛行過程出現(xiàn)意外，探測器主發(fā)動機一直沒能啟動，使探測器未能按計劃實現(xiàn)變軌。2012年1月15日，“火衛(wèi)一-土壤”探測器墜落于太平洋惠靈頓島以西1250km處。

據(jù)調(diào)查報告稱，探測器的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計錯誤，2臺計算機可能在空間輻射的影響下重啟，預(yù)定的飛行程序中斷，探測器進入對日定向模式，等待地面X頻段指令。然而，探測器程序只設(shè)計了在飛往火星的巡航階段與地面進行X頻段通信，因此，任憑地面盲發(fā)指令，探測器也沒有任何反應(yīng)。針對之前懷疑美國雷達干擾的可能性，俄羅斯在1月18日左右開展了模擬測試，試驗表明兆瓦級雷達功率對該飛行控制系統(tǒng)完全沒有影響。

“火衛(wèi)一-土壤”探測器平臺的主要研制單位是俄羅斯拉沃奇金科研生產(chǎn)聯(lián)合體，而俄羅斯科學院的空間研究所負責領(lǐng)導(dǎo)探測器科學儀器的研制工作，許多研究所和研究機構(gòu)參與了儀器研制?；鹦l(wèi)一-土壤計劃的總成本為50億盧布。

日本先進陸地觀測衛(wèi)星－1在軌飛行示意圖

俄羅斯子午線－5衛(wèi)星發(fā)射失敗

2011年12月23日，子午線－5衛(wèi)星搭載在聯(lián)盟－2.1b/弗雷蓋特火箭從普列謝茨克發(fā)射升空。在火箭點火425s時，火箭第二級出現(xiàn)故障，導(dǎo)致衛(wèi)星無法進入近地軌道，而迅速墜落至俄羅斯新西伯利亞洲境內(nèi)。俄羅斯航天局局長弗拉基米爾·波波夫金認為，火箭發(fā)動機故障是造成此次發(fā)射事故的直接原因。

故障調(diào)查顯示，聯(lián)盟火箭在第288s時正常點火，在第425s時，從弗雷蓋特上面級傳回的遙測信號突然減弱，陀螺敏感器超出最大允許偏差40°，星箭失去控制。分析表明，火箭發(fā)動機的1號燃燒室腔體可能出現(xiàn)膨脹，導(dǎo)致燒穿并可能發(fā)生爆炸（RD-0124發(fā)動機有4個燃燒室）。遙測顯示，燃料壓力在0.5s內(nèi)下降到正常值的10%，又過0.1s后壓力降為零。

“子午線”系列衛(wèi)星是俄羅斯新一代閃電軌道軍事通信衛(wèi)星，用于替換“閃電”系列軍事通信衛(wèi)星，由俄羅斯航天部隊負責運行管理，為俄羅斯軍隊提供特高頻（UHF）、C和X頻段軍事通信業(yè)務(wù)。該衛(wèi)星由俄羅斯信息衛(wèi)星系統(tǒng)-列舍特涅夫公司研制。

榮譽號衛(wèi)星在軌飛行示意圖

日本先進陸地觀測衛(wèi)星－1在軌失效

先進陸地觀測衛(wèi)星－1是日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）研制的，也稱為大地－1衛(wèi)星，設(shè)計壽命3年，目標壽命5年，于2006年1月24日從日本種子島航天發(fā)射中心利用H－2A火箭發(fā)射，載有光學和雷達成像有效載荷，主要用于測繪制圖、環(huán)境觀測、災(zāi)害監(jiān)測和資源調(diào)查，軍事應(yīng)用潛力巨大。

2011年4月22日，先進陸地觀測衛(wèi)星－1正在執(zhí)行日本東北海岸帶震后測繪任務(wù)時，星上電源系統(tǒng)突然發(fā)生異常，衛(wèi)星于日本當?shù)貢r間7：30左右由正常操作模式轉(zhuǎn)入低負載安全模式，有效載荷全部關(guān)閉。通過日本“回聲”數(shù)據(jù)中繼試驗衛(wèi)星傳回的遙測數(shù)據(jù)顯示，電源異常情況迅速惡化。幾小時后衛(wèi)星與地面失去聯(lián)系。

美國榮譽號衛(wèi)星發(fā)射失敗

2011年3月4日05：09，美國航空航天局（NASA）的榮譽號衛(wèi)星由金牛座－XL運載火箭從范登堡空軍基地發(fā)射升空。

火箭升空大約3min后，由于直徑為1.6m的整流罩沒有及時分離，以致拖累火箭速度，無法抵達預(yù)定軌道，最后星箭墜毀于南太平洋塔希提島附近。金牛座－XL是一種慣性制導(dǎo)、固體燃料、地基發(fā)射的運載火箭，由美國軌道科學公司設(shè)計建造。它具有多種配置，其整流罩尺寸和性能各不相同。

此次故障與2009年“軌道碳觀測”衛(wèi)星故障如出一轍，故障原因都是整流罩未根據(jù)指令分離，但無法確定哪個具體部位故障是導(dǎo)致整流罩沒有分離的直接原因。事故的原因可能包括4種情況：

1）整流罩底座圈連接裝置未完全斷裂，可能導(dǎo)致整流罩無法分離；

2）火工品起爆需要瞬時提供足夠的電流，電流不足可導(dǎo)致器件未充分起爆；

3）整流罩充氣系統(tǒng)沒有提供足夠的壓力來進行分離，該系統(tǒng)包括熱氣發(fā)生器（HGG）、推力器和氣動導(dǎo)管；

4）柔性傳爆索（FCDC）掛住了連接裝置的滑動螺紋導(dǎo)軌，阻止了整流罩分離。

美國先進極高頻－1衛(wèi)星成功挽救

先進極高頻－1衛(wèi)星于美國東部時間2010年8月14日由宇宙神－5火箭發(fā)射。衛(wèi)星進入近地點225km、遠地點50200km、傾角22.2°的超地球同步軌道后，由于星上450N液體遠地點發(fā)動機點火后因未知故障緊急關(guān)機，對衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移產(chǎn)生了影響。2011年7月21日，美國問責局（GAO）公布了故障調(diào)查原因：在衛(wèi)星制造過程中，洛馬公司的研制人員沒有正確“沖洗”燃料管路，不慎殘留了一片織物，堵塞了燃料管道。

地面控制人員通過利用星上22N單組元推力器和霍爾效應(yīng)推力器，共執(zhí)行了500多次點火，耗時14個月，最終于2011年10月24日將先進極高頻－1衛(wèi)星送入了預(yù)定的靜止軌道。該衛(wèi)星仍可保證14年的使用壽命。

美國先進極高頻－1衛(wèi)星在軌飛行示意圖

4 總結(jié)

2011年國外航天器故障呈現(xiàn)出以下主要特點：

1）由于運載火箭故障導(dǎo)致的I類故障數(shù)量較多，其中俄羅斯占據(jù)絕大多數(shù)；

2）在軌故障中，姿軌控分系統(tǒng)故障比例較高，其中有多顆第二代“全球星”發(fā)生動量輪故障，該型動量輪由古德里奇公司生產(chǎn)，衛(wèi)星主承包商為泰雷茲-阿萊尼亞公司；

3）美國、日本多顆因故障退役的衛(wèi)星均大幅超出設(shè)計壽命運行；

4）美國先進極高頻－1衛(wèi)星在電推進系統(tǒng)的幫助下成功入軌，再次凸顯出電推進系統(tǒng)的重要作用；

5）許多重大故障都是因為設(shè)計或管理等低層次原因造成。

航天是高技術(shù)、高風險、高投入的事業(yè)，針對未來我國宇航“多型號并舉、高強密度發(fā)射”的態(tài)勢，我們更應(yīng)在型號研制流程的各個環(huán)節(jié)中嚴抓質(zhì)量意識，杜絕低水平質(zhì)量事故，確保型號成功?！?/p>