俄羅斯質(zhì)子火箭失敗的教訓(xùn)

□ 松 鼠

2011年8月美俄等國(guó)家的航天發(fā)射都出現(xiàn)失敗，可以說(shuō)是航天史上的一個(gè)黑色八月，巧合的是，2012年8月7日俄羅斯“質(zhì)子”火箭一箭雙星發(fā)射Express-MD2和印尼的Telkom-3時(shí)又遭遇失敗，雖然這只是2012年俄羅斯的首次航天發(fā)射失敗，但是近年來(lái)俄羅斯航天發(fā)射屢屢出現(xiàn)事故，特別是“質(zhì)子”火箭去年8月發(fā)射Express-AM4時(shí)最終衛(wèi)星入軌失敗，這不能不引起人們的思考。

“微風(fēng)”-M上面級(jí)惹的禍

綜合美國(guó)和俄羅斯媒體的報(bào)道，這次發(fā)射中“微風(fēng)”-M上面級(jí)按計(jì)劃將進(jìn)行4次點(diǎn)火將兩顆衛(wèi)星送入地球靜止軌道，俄羅斯航天局的消息稱主發(fā)動(dòng)機(jī)的第三次工作期間出現(xiàn)問(wèn)題，第三次點(diǎn)火雖然按計(jì)劃進(jìn)行，但預(yù)定的18分零5秒的工作時(shí)間僅僅開始了7秒，“微風(fēng)”-M的主發(fā)動(dòng)機(jī)即關(guān)閉，導(dǎo)致兩顆衛(wèi)星無(wú)法入軌。俄飛行控制中心稱兩顆衛(wèi)星進(jìn)入了近地點(diǎn)266.7千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)5020千米的軌道，北美防空司令部的軌道參數(shù)顯示“微風(fēng)”-M上面級(jí)和兩顆衛(wèi)星在近地點(diǎn)265千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)5018千米、傾角49.9°的橢圓軌道上。由于衛(wèi)星的軌道傾角過(guò)大、軌道高度太低，而且這兩顆衛(wèi)星預(yù)定是由“質(zhì)子”火箭直接送入地球靜止軌道，本身并沒(méi)有多強(qiáng)的變軌能力，此次發(fā)射任務(wù)甚至無(wú)法像2009年我國(guó)發(fā)射Palapa-D衛(wèi)星失利那樣，通過(guò)衛(wèi)星機(jī)動(dòng)變軌進(jìn)入靜止軌道。這兩顆衛(wèi)星將在未來(lái)再入大氣層燒毀，發(fā)射只能宣告失敗。對(duì)于“微風(fēng)”-M上面級(jí)出現(xiàn)故障的原因，俄媒體最初報(bào)道認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)的原因是推進(jìn)劑輸送管道堵塞，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵工作異常，后來(lái)又認(rèn)為推進(jìn)劑箱的增壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)。雖然官方尚未做出最后結(jié)論，但發(fā)射任務(wù)的失敗，“微風(fēng)”-M上面級(jí)的責(zé)任是無(wú)法推卸的。

Express-MD2衛(wèi)星在廠房中

印尼的telkom-3在廠房中

Express-MD2衛(wèi)星

“質(zhì)子”火箭可靠嗎？

不同于蘇聯(lián)時(shí)代的財(cái)大氣粗，今天的俄羅斯并沒(méi)有那么多承受發(fā)射失敗的本錢，這次失敗后俄羅斯總理梅德韋杰夫發(fā)出警告，稱這是給航天大國(guó)抹黑，俄羅斯還成立了內(nèi)部委員會(huì)調(diào)查“質(zhì)子”火箭“微風(fēng)”-M上面級(jí)事故的原因并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。不過(guò)以過(guò)去幾年的歷史看，“質(zhì)子”火箭雖然多次出現(xiàn)事故，但在商業(yè)發(fā)射和本國(guó)發(fā)射的雙重壓力下很快再次投入發(fā)射，這次失敗的調(diào)查更多是例行公事，如果一定要說(shuō)可以進(jìn)行什么有成效的改進(jìn)的話，應(yīng)該就是俄羅斯航天部門繼續(xù)狠抓質(zhì)量控制，但效果并不樂(lè)觀。冰凍三尺非一日之寒，“質(zhì)子”火箭的可靠性問(wèn)題已經(jīng)困擾了蘇聯(lián)和俄羅斯幾十年了。

“質(zhì)子”火箭是蘇聯(lián)時(shí)代研制并廣泛應(yīng)用的重型運(yùn)載火箭，討論可靠性問(wèn)題，“質(zhì)子”火箭的歷史和設(shè)計(jì)問(wèn)題是難以回避的。1968年11月16日“質(zhì)子”火箭首次發(fā)射，此后它曾發(fā)射了“禮炮”1號(hào)到“禮炮”7號(hào)空間站、大型貨運(yùn)飛船、和平號(hào)空間站的各個(gè)艙段、國(guó)際空間站的曙光和星辰號(hào)艙段，還發(fā)射了大量的靜止軌道衛(wèi)星以及蘇聯(lián)的一系列深空探測(cè)器，在航天史上可謂勞苦功高。俄羅斯繼承了蘇聯(lián)雄厚的航天工業(yè)，作為一個(gè)航天強(qiáng)國(guó)也具有極為強(qiáng)大的航天發(fā)射能力。自蘇聯(lián)時(shí)代開始航天發(fā)射以來(lái)，迄今為止聯(lián)盟火箭總發(fā)射數(shù)量超過(guò)1700次，還創(chuàng)造了連續(xù)133次成功發(fā)射的記錄，可靠性在運(yùn)載火箭中獨(dú)占鰲頭?！百|(zhì)子”火箭是土星五號(hào)火箭之后、能源火箭之前一次性運(yùn)載火箭的運(yùn)力之王，發(fā)射數(shù)量迄今為止高達(dá)379次，其中336次發(fā)射成功，46次發(fā)射失敗?！百|(zhì)子”火箭發(fā)射數(shù)量遙遙領(lǐng)先于緊隨其后的美國(guó)大力神3/4系列火箭，憑借蘇聯(lián)時(shí)代的高發(fā)射量和低廉的發(fā)射價(jià)格，蘇聯(lián)解體后“質(zhì)子”火箭成為商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的主力運(yùn)載火箭之一。美國(guó)洛克希德馬丁公司與俄羅斯赫魯尼切夫設(shè)計(jì)局以及能源公司共同組建了國(guó)際發(fā)射服務(wù)公司，承攬商業(yè)通信衛(wèi)星發(fā)射，直到今天仍與阿里安公司并稱為國(guó)際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射的雙雄。

雖然“質(zhì)子”火箭是商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)的主力之一，但它的發(fā)射成功率并不出色，姑且不論蘇聯(lián)時(shí)代“質(zhì)子”火箭早期連續(xù)發(fā)射失敗的歷史，成熟后的“質(zhì)子”火箭也只有約90%的成功率。如果只統(tǒng)計(jì)使用“微風(fēng)”-M上面級(jí)的“質(zhì)子”火箭的話，發(fā)射成功率更不樂(lè)觀，62次發(fā)射中就有6次失敗，其中5次失敗源自“微風(fēng)”-M上面級(jí)的故障。在去年8月和今年8月的兩次失敗之間，“質(zhì)子”火箭已經(jīng)進(jìn)行了11次成功發(fā)射，其中10次發(fā)射使用“微風(fēng)”-M上面級(jí)。在管理和質(zhì)量控制水平?jīng)]有顯著提高的條件下，考慮到“質(zhì)子”火箭和“微風(fēng)”-M上面級(jí)的歷史表現(xiàn)，今年8月7日的發(fā)射失敗并不令人奇怪，保險(xiǎn)公司也習(xí)以為常，遠(yuǎn)不到俄羅斯媒體尤其是總理梅德韋杰夫渲染的失去聲望的程度。盡管這次發(fā)射失敗算不上什么災(zāi)難，但是“質(zhì)子”火箭發(fā)射成功率的問(wèn)題，仍然是值得關(guān)注的，到底是哪些因素影響了“質(zhì)子”火箭的可靠性呢？

印尼的telkom-3衛(wèi)星

“質(zhì)子”-M火箭發(fā)射失敗

高軌道發(fā)射場(chǎng)的影響

1999年“質(zhì)子”火箭的“微風(fēng)”-M上面級(jí)首次服役，它源自轟鳴火箭(Rokot)的微風(fēng)-K上面級(jí)。“微風(fēng)”-M上面級(jí)大幅度提高了“質(zhì)子”火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道和靜止軌道運(yùn)載能力，入軌精度上也有所提高?！拔L(fēng)”-M上面級(jí)高2.61米、直徑4.0米，質(zhì)量約2.37噸，攜帶的偏二甲肼/四氧化二氮可存儲(chǔ)推進(jìn)劑總質(zhì)量約19.8噸?！拔L(fēng)”-M上面級(jí)具體可以分為兩個(gè)部分：中央模塊、環(huán)形附加推進(jìn)劑儲(chǔ)箱。中央模塊包括儀器艙、推進(jìn)劑儲(chǔ)箱和發(fā)動(dòng)機(jī)，攜帶約5.2噸的推進(jìn)劑，是“微風(fēng)”-M上面級(jí)的核心部分，其中發(fā)動(dòng)機(jī)包括一臺(tái)推力約2噸的14D30主發(fā)動(dòng)機(jī)，另有四臺(tái)11D458M推力調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和12臺(tái)17D58E姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)。中央模塊外的環(huán)形輔助附加模塊可以看作副油箱，其自重約1噸攜帶了約14.6噸的推進(jìn)劑，這些推進(jìn)劑耗盡后附加推進(jìn)劑儲(chǔ)箱將會(huì)被拋棄以降低上面級(jí)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，這樣的設(shè)計(jì)可以顯著提高同步轉(zhuǎn)移軌道和靜止軌道運(yùn)載能力?！拔L(fēng)”-M上面級(jí)的14D30主發(fā)動(dòng)機(jī)最多可進(jìn)行8次點(diǎn)火，上面級(jí)滑行時(shí)間最長(zhǎng)可超過(guò)24小時(shí)，配合可拋棄輔助推進(jìn)劑箱的設(shè)計(jì)，是一種設(shè)計(jì)十分巧妙的上面級(jí)。不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，“微風(fēng)”-M上面級(jí)使用偏二甲肼/四氧化二氮推進(jìn)劑，主發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖只有326秒，運(yùn)力無(wú)法與使用液氧液氫推進(jìn)劑的上面級(jí)相比。為了盡可能提高運(yùn)力，其設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，無(wú)論是可拋棄的輔助推進(jìn)劑儲(chǔ)箱，還是過(guò)多的點(diǎn)火次數(shù)和過(guò)長(zhǎng)的滑行時(shí)間，都降低了上面級(jí)的固有可靠性，這是“質(zhì)子”/“微風(fēng)”-M火箭頻繁出現(xiàn)事故的重要原因。

在執(zhí)行近地軌道發(fā)射任務(wù)時(shí)，“質(zhì)子”火箭使用三級(jí)火箭構(gòu)型，而在發(fā)射靜止軌道衛(wèi)星時(shí)則使用了四級(jí)火箭的設(shè)計(jì)。由于使用三級(jí)火箭的設(shè)計(jì)，外加使用高壓補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，“質(zhì)子”火箭的近地軌道運(yùn)載系數(shù)較高，與之相比“質(zhì)子”火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力并不出色。四級(jí)的“質(zhì)子”火箭可粗略看作發(fā)射近地軌道載荷的三級(jí)“質(zhì)子”火箭增加一個(gè)上面級(jí)，“質(zhì)子”火箭原始設(shè)計(jì)上更適合近地軌道任務(wù)，而沒(méi)有對(duì)發(fā)射同步轉(zhuǎn)移軌道載荷進(jìn)行多少優(yōu)化，進(jìn)入同步轉(zhuǎn)移軌道和靜止軌道主要依靠上面級(jí)實(shí)現(xiàn)，這是其同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力不高的一個(gè)原因。發(fā)射“質(zhì)子”火箭的拜科努爾發(fā)射場(chǎng)存在緯度過(guò)高的問(wèn)題，發(fā)射靜止衛(wèi)星時(shí)需要更多的速度增量改變軌道傾角，嚴(yán)重影響了“質(zhì)子”火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力，這是“質(zhì)子”火箭同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力不足、“微風(fēng)”-M上面級(jí)需要多次點(diǎn)火的重要原因。

“質(zhì)子”/“微風(fēng)”-M火箭可將22噸的載荷送入國(guó)際空間站高度300多千米，傾角51.6度的軌道，根據(jù)轉(zhuǎn)移到地球靜止軌道的速度增量(ΔV)不同，它可將質(zhì)量從5.25噸到7.5噸的載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，它還具備將最高3.7噸的載荷直接送入地球靜止軌道的能力。“質(zhì)子”/“微風(fēng)”-M火箭的前三級(jí)和“質(zhì)子”M火箭基本一致，它最大的特點(diǎn)是增加可多次啟動(dòng)的“微風(fēng)”-M上面級(jí)，顯著提高了火箭的運(yùn)載能力和使用的靈活性。“質(zhì)子”/“微風(fēng)”-M火箭長(zhǎng)度約60米，直徑約4.1米，整流罩靜態(tài)包絡(luò)直徑為3.87米，火箭起飛質(zhì)量約705噸?！百|(zhì)子”/“微風(fēng)”-M火箭第一級(jí)由一個(gè)裝有四氧化二氮的中央儲(chǔ)箱和外側(cè)圍繞的六個(gè)偏二甲肼燃料儲(chǔ)箱組成，燃料儲(chǔ)箱底部各裝有一臺(tái)RD-276分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，“質(zhì)子”火箭第一級(jí)地面起飛推力約1000多噸，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間約2分鐘?！百|(zhì)子”/“微風(fēng)”-M火箭的第二級(jí)為3臺(tái)RD-0210和一臺(tái)RD-0211發(fā)動(dòng)機(jī)，它們均為分級(jí)燃燒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，也仍然使用偏二甲肼/四氧化二氮推進(jìn)劑，其總推力約245噸，工作時(shí)間約3.5分鐘?！百|(zhì)子”/“微風(fēng)”-M火箭的第三級(jí)為一臺(tái)RD-0213發(fā)動(dòng)機(jī)，其推力約59.5噸，工作時(shí)間約4分鐘。“質(zhì)子”/“微風(fēng)”-M火箭最后的一段則是“微風(fēng)”-M上面級(jí)，具備多次點(diǎn)火能力，可以多次變軌將衛(wèi)星送入同步轉(zhuǎn)移軌道甚至靜止軌道。

“微風(fēng)”-M上面級(jí)的5次失敗占了“質(zhì)子”/“微風(fēng)”-M火箭6次發(fā)射失敗的絕大部分，從80/20法則看，“微風(fēng)”-M上面級(jí)是制約“質(zhì)子”/“微風(fēng)”-M火箭發(fā)射成功率的最主要原因?！百|(zhì)子”火箭尤其是“微風(fēng)”-M上面級(jí)成功率不高，還有俄羅斯基礎(chǔ)工業(yè)實(shí)力不濟(jì)的原因。盡管在很多人的印象里，蘇聯(lián)和俄羅斯都是一個(gè)工業(yè)尤其是航天工業(yè)極其發(fā)達(dá)的國(guó)家，但蘇聯(lián)強(qiáng)大的航天工業(yè)都更多體現(xiàn)在運(yùn)載火箭而不是衛(wèi)星、探測(cè)器等載荷上，無(wú)論是傳統(tǒng)的材料、機(jī)械、電氣領(lǐng)域還是新興的電子工業(yè)，蘇聯(lián)的技術(shù)水平都與西方發(fā)達(dá)國(guó)家存在不小的差距。蘇聯(lián)解體后俄羅斯工業(yè)遭受了崩潰性的打擊，不僅無(wú)法盡快追趕技術(shù)差距，還出現(xiàn)了去工業(yè)化現(xiàn)象，并導(dǎo)致大量人才的流失和工業(yè)生產(chǎn)能力的衰亡，航天部門雖然依靠外國(guó)訂單維持下來(lái)，但零部件供應(yīng)體系和質(zhì)量監(jiān)管體系仍然受到不小的破壞。

拜科努爾發(fā)射場(chǎng)

“質(zhì)子”-M火箭簡(jiǎn)介

火箭設(shè)計(jì)是主要問(wèn)題

“質(zhì)子”火箭分為多種型號(hào)，蘇聯(lián)解體后使用的型號(hào)主要包括三級(jí)運(yùn)載火箭“質(zhì)子”-K、“質(zhì)子”-M和四級(jí)運(yùn)載火箭“質(zhì)子”-K/Block DM、“質(zhì)子”-K/“微風(fēng)”-M和“質(zhì)子”-M/“微風(fēng)”-M等型號(hào)，雖然俄美聯(lián)合的國(guó)際發(fā)射服務(wù)公司早期曾使用“質(zhì)子”-K/Block DM火箭，但俄羅斯目前進(jìn)行靜止軌道通信衛(wèi)星的型號(hào)是“質(zhì)子”-M/“微風(fēng)”-M火箭，不做特殊說(shuō)明的話，一般直接稱之為“質(zhì)子”/“微風(fēng)”-M火箭。

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過(guò)多的火箭級(jí)數(shù)和多次點(diǎn)火長(zhǎng)時(shí)間滑行的上面級(jí)，不可避免的帶來(lái)了固有可靠性的下降?！百|(zhì)子”火箭發(fā)射成功率穩(wěn)定在90%左右，級(jí)數(shù)更少的聯(lián)盟火箭卻達(dá)到了約97%。從兩種俄羅斯運(yùn)載火箭的對(duì)比看，“質(zhì)子”火箭發(fā)射成功率難以進(jìn)一步提高，火箭設(shè)計(jì)是最主要的原因。

“質(zhì)子”-M運(yùn)載火箭

“質(zhì)子”-M運(yùn)載火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)

工業(yè)實(shí)力不濟(jì)、質(zhì)量監(jiān)管混亂

基于2005-2014年長(zhǎng)三角地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表4報(bào)告了制造業(yè)結(jié)構(gòu)影響因素的回歸結(jié)果，回歸時(shí)采用固定效應(yīng)模型，具體面板回歸結(jié)果見表4。

國(guó)家重大體制的改革，使原國(guó)土資源部門的事權(quán)發(fā)生了根本性的變化，單純的行政管理職能已轉(zhuǎn)為對(duì)自然資源所有權(quán)的行使主體。為自然資源綜合管理提供服務(wù)支撐，未知空間很大。

比較表3和表4發(fā)現(xiàn)，兩種零件的優(yōu)化結(jié)果在成本變化量上存在較大差異，且零件B大于零件A。這是因?yàn)榱慵﨎成本范圍的基數(shù)比A更大，在相同的成本調(diào)控方式下，B能減少的成本量更大。零件A的成本基數(shù)本來(lái)已經(jīng)很小，即使引入成本調(diào)控，改變零件加工成本，可以影響的值也有限。

蘇聯(lián)解體后俄羅斯航天工業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)甚至沒(méi)有嚴(yán)格的驗(yàn)收制度，其質(zhì)量監(jiān)管的混亂可見一斑。俄羅斯航天工業(yè)質(zhì)量控制水平下降的問(wèn)題，已經(jīng)通過(guò)最近幾年多次在成熟的火箭上出現(xiàn)低級(jí)錯(cuò)誤體現(xiàn)出來(lái)，這其中不僅有對(duì)發(fā)射失敗習(xí)以為常的“質(zhì)子”火箭，甚至聯(lián)盟火箭也“不甘落后”。2011年8月俄羅斯使用聯(lián)盟火箭發(fā)射進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船，但火箭第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)推進(jìn)劑輸送管路堵塞，推進(jìn)劑無(wú)法正常輸送發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，最終發(fā)射任務(wù)失敗，這本是地面監(jiān)測(cè)應(yīng)該發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。去年8月發(fā)射Express-AM4衛(wèi)星的“質(zhì)子”火箭也遭遇失敗，事后調(diào)查指出生成飛行時(shí)序時(shí)導(dǎo)航周期設(shè)定過(guò)短，導(dǎo)致三軸穩(wěn)定平臺(tái)解算位置錯(cuò)誤，最終失去遙測(cè)信息并進(jìn)入錯(cuò)誤的軌道，這更是發(fā)射準(zhǔn)備的低級(jí)錯(cuò)誤。今年8月的“質(zhì)子”火箭發(fā)射，“微風(fēng)”-M上面級(jí)儲(chǔ)箱的氣動(dòng)增壓系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致推進(jìn)劑無(wú)法流入燃燒室，俄羅斯航天局前局長(zhǎng)波米諾夫就認(rèn)為是質(zhì)量控制的人為因素引起的。以上事故很難說(shuō)是運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)問(wèn)題，而更多是質(zhì)量控制的問(wèn)題，體現(xiàn)了俄羅斯航天工業(yè)監(jiān)督管理的松弛和從業(yè)工人水平的下滑，這種慢性失血雖然不明顯，但已經(jīng)在啃噬俄羅斯航天工業(yè)的基礎(chǔ)。

與俄羅斯航天的困境類似，中國(guó)航天也曾遭遇發(fā)射失敗的低谷，但通過(guò)后來(lái)的一系列整頓，以嚴(yán)抓質(zhì)量管理和產(chǎn)品檢測(cè)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)提高檢測(cè)診斷能力，成功的實(shí)現(xiàn)了連續(xù)數(shù)十次的發(fā)射成功，這說(shuō)明即使原始設(shè)計(jì)不夠合理，運(yùn)載火箭的可靠性仍是可以進(jìn)一步提高的。俄羅斯未來(lái)將采取什么樣的措施提高“質(zhì)子”火箭發(fā)射成功率，是我們也十分關(guān)注的問(wèn)題。如果“質(zhì)子”火箭可以進(jìn)一步提高成功率，對(duì)同樣基于20世紀(jì)60年代技術(shù)的現(xiàn)有長(zhǎng)征火箭，將是很有參考價(jià)值的。