一次性運(yùn)載火箭飛行失利量化分析研究

鄭立偉，秦 曈，何 巍，龍樂豪

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一次性運(yùn)載火箭飛行失利量化分析研究

鄭立偉1，秦 曈1，何 巍1，龍樂豪2

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

對(duì)1957~2014年全球29個(gè)一次性運(yùn)載火箭系列的發(fā)射情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從構(gòu)型、故障子級(jí)、首飛、級(jí)數(shù)、規(guī)模、推進(jìn)劑種類、故障所屬分系統(tǒng)、載人、故障原因等多個(gè)維度對(duì)國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭發(fā)射失利情況進(jìn)行了故障統(tǒng)計(jì)分析，在量化分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出確保我國(guó)運(yùn)載火箭高任務(wù)成功率的發(fā)展建議。

一次性運(yùn)載火箭；飛行失利；量化分析

0 引 言

自1957年10月4日蘇聯(lián)衛(wèi)星號(hào)運(yùn)載火箭將第1顆人造地球衛(wèi)星送入太空以來，世界各國(guó)爭(zhēng)先發(fā)展運(yùn)載火箭技術(shù)，先后研制了幾十個(gè)系列上百種運(yùn)載火箭，為人類航天活動(dòng)的開展提供了重要保障。

由于各國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展水平和質(zhì)量管理體制不同，不同運(yùn)載火箭的技術(shù)方案存在差異；不同歷史背景下運(yùn)載火箭研制特點(diǎn)等因素也導(dǎo)致了各國(guó)的運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展命運(yùn)的差異，有的成為運(yùn)載火箭中的經(jīng)典，如土星系列實(shí)現(xiàn)了100%的發(fā)射成功率，聯(lián)盟號(hào)系列火箭成為發(fā)射次數(shù)最多的火箭等，而有的火箭則以悲劇收?qǐng)觯缣K聯(lián)N-1火箭4次發(fā)射全部失敗。

文獻(xiàn)[1]針對(duì)2007年以前國(guó)外月球探測(cè)任務(wù)失利情況進(jìn)行分析，量化給出運(yùn)載火箭、探測(cè)器以及測(cè)控網(wǎng)所占故障比例，并重點(diǎn)對(duì)運(yùn)載火箭的故障系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析；文獻(xiàn)[2]將不同年代研制的運(yùn)載火箭進(jìn)行劃代，并對(duì)2009年前大、中、小型火箭的故障情況進(jìn)行研究。本文對(duì)1957年第1枚運(yùn)載火箭發(fā)射至2014年12月31日7個(gè)運(yùn)載火箭研制國(guó)、29個(gè)運(yùn)載火箭系列全部5 133次發(fā)射中的飛行失利情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從更多維度開展故障分析研究工作。

1 故障定義[3]

a）Ⅰ類：災(zāi)難性失效。導(dǎo)致運(yùn)載火箭系統(tǒng)喪失；系統(tǒng)不可恢復(fù)的失效，包括所有任務(wù)失效（如運(yùn)載火箭發(fā)射過程中爆炸）；或?qū)е氯藛T傷亡的失效。

b）Ⅱ類：致命性失效。將使任務(wù)喪失；任務(wù)產(chǎn)品不可恢復(fù)的失效（如運(yùn)載火箭未將有效載荷送入預(yù)定軌道，入軌偏差大等）；或?qū)е氯藛T、物資損傷的失效。

2 飛行失利故障分析

2.1 按系列構(gòu)型統(tǒng)計(jì)分析

表1為按系列構(gòu)型[4]統(tǒng)計(jì)的發(fā)射成功率對(duì)比情況。

表1 運(yùn)載火箭系列構(gòu)型成功率對(duì)比

美國(guó)土星系列火箭執(zhí)行的28次發(fā)射任務(wù)均獲成功，俄羅斯安加拉系列火箭共執(zhí)行2次驗(yàn)證性發(fā)射任務(wù)也均取得成功，印度極地軌道衛(wèi)星運(yùn)載火箭系列和俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)系列火箭以96.3%的成功率緊隨其后，長(zhǎng)征系列火箭和阿里安系列火箭分別位居第7和第8的位置。

2.2 按故障子級(jí)統(tǒng)計(jì)分析

表2為故障發(fā)生在火箭不同子級(jí)的統(tǒng)計(jì)情況。需要說明的是，由于部分發(fā)射失利故障信息不全，對(duì)于無法查得故障所屬子級(jí)的以“不詳”表述（下同）。

表2 按故障所屬子級(jí)統(tǒng)計(jì)情況

按故障出現(xiàn)在火箭的不同子級(jí)進(jìn)行劃分，火箭末級(jí)或上面級(jí)是出現(xiàn)故障的主要子級(jí)，第1級(jí)故障也是運(yùn)載火箭發(fā)射失利的多發(fā)地帶。

2.3 按首飛故障統(tǒng)計(jì)分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)載火箭新構(gòu)型首次飛行試驗(yàn)失利的為34次，占全部發(fā)射失利總數(shù)的8%，即意味著幾乎每10次發(fā)射失利中即有1次為首飛構(gòu)型發(fā)射失利。

按年度劃分，20世紀(jì)60～90年代是首飛構(gòu)型發(fā)射失利的高發(fā)期，特別是在20世紀(jì)60年代，平均每年會(huì)出現(xiàn)1次首飛構(gòu)型的發(fā)射失利，這主要是由于在20世紀(jì)運(yùn)載火箭發(fā)展初期，眾多未經(jīng)地面試驗(yàn)充分考核的新構(gòu)型被投入發(fā)射，同時(shí)由于工藝不成熟、設(shè)計(jì)存在缺陷等原因，導(dǎo)致首飛構(gòu)型發(fā)射屢遭失利。

圖1 首飛構(gòu)型發(fā)射失利年代對(duì)比

2.4 按故障火箭級(jí)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

表3為按故障火箭構(gòu)型的統(tǒng)計(jì)情況。

表3 按故障火箭構(gòu)型級(jí)數(shù)統(tǒng)計(jì)情況

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，因兩級(jí)構(gòu)型火箭故障導(dǎo)致任務(wù)失利的占失利總數(shù)的比例最大為46%，四級(jí)構(gòu)型故障占21%，三級(jí)構(gòu)型火箭所占比例在30%。上述數(shù)據(jù)表明，并不是火箭級(jí)數(shù)越多，出現(xiàn)故障的概率越大。

2.5 按故障火箭規(guī)模統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)29個(gè)系列火箭按照重型、大型、中型和小型運(yùn)載火箭進(jìn)行劃分[5]，不同故障火箭規(guī)模的對(duì)比故障情況見表4。

表4 按故障火箭規(guī)模統(tǒng)計(jì)情況

對(duì)于不同規(guī)模的火箭，從失利次數(shù)角度分析，中型火箭失利次數(shù)最多，為197次；重型火箭失利次數(shù)最少。從不同規(guī)?；鸺Ю壤闆r對(duì)比，小型運(yùn)載火箭失利比例最高，為12%；大、中型運(yùn)載火箭失利比例次之，分別占10%和6%；重型運(yùn)載火箭失利比例最小。

上述數(shù)據(jù)未考慮蘇聯(lián)N-1火箭4次發(fā)射失利[6]，如果考慮N-1火箭情況，重型運(yùn)載火箭失利比例為24%。之所以未統(tǒng)計(jì)N-1火箭的4次失敗，是因?yàn)楫?dāng)年在美、蘇競(jìng)爭(zhēng)中蘇聯(lián)過分強(qiáng)調(diào)政治因素，忽視了科學(xué)規(guī)律的必然結(jié)果，屬于非正?，F(xiàn)象，因此不應(yīng)作為統(tǒng)計(jì)子樣。

2.6 按故障火箭推進(jìn)劑種類統(tǒng)計(jì)分析

以固體、常規(guī)液體和低溫液體3種推進(jìn)劑為基本單元，29個(gè)運(yùn)載火箭系列所用推進(jìn)劑的種類可分為7種類型（組合）。按照故障火箭所用推進(jìn)劑種類的統(tǒng)計(jì)情況見表5。

表5 按故障火箭推進(jìn)劑種類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)

由表5可見，對(duì)于選用單一推進(jìn)劑的運(yùn)載火箭，固體推進(jìn)劑的任務(wù)成功率最低，常規(guī)液體推進(jìn)劑的任務(wù)成功率最高；對(duì)于選用混合推進(jìn)劑的運(yùn)載火箭，常規(guī)+低溫推進(jìn)劑的任務(wù)成功率最低，固體+常規(guī)推進(jìn)劑的任務(wù)成功率最高。

2.7 按故障所屬分系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)載火箭系統(tǒng)可劃分為：動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等。按照故障所屬火箭不同系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)情況見表6。需要說明的是，經(jīng)歸類劃分不屬于以上系統(tǒng)的“其他”表述，如地面錯(cuò)發(fā)指令，對(duì)環(huán)境認(rèn)識(shí)不足等均劃分為此類。

表6 按故障所屬分系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)

按故障所屬系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)故障導(dǎo)致任務(wù)失敗的主要系統(tǒng)為動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，分別占任務(wù)失利總數(shù)的38.1%和17.2%。

2.8 按載人運(yùn)載火箭與非載人運(yùn)載火箭統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1957~2014年全球共有3個(gè)國(guó)家進(jìn)行了載人運(yùn)載火箭發(fā)射，累計(jì)發(fā)射488次（不含蘇聯(lián)N-1的4次發(fā)射和航天飛機(jī)135次發(fā)射[7]，下同)，其中載人運(yùn)載火箭發(fā)射最多的國(guó)家為蘇聯(lián)/俄羅斯，共432次，占全部發(fā)射的87%；其次為美國(guó)的56次，占11%；中國(guó)共進(jìn)行11次載人運(yùn)載火箭發(fā)射，占2%。

從以上載人運(yùn)載火箭發(fā)射的成功率情況來看，載人運(yùn)載火箭的任務(wù)成功率均大幅高于非載人運(yùn)載火箭。除美國(guó)航天飛機(jī)外，未出現(xiàn)發(fā)射過程中出現(xiàn)故障導(dǎo)致宇航員死亡的情況，具體對(duì)比情況見表7。

載人運(yùn)載火箭的任務(wù)成功率高于非載人運(yùn)載火箭，這與載人運(yùn)載火箭的高可靠性設(shè)計(jì)直接相關(guān)，冗余設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)等一系列提高可靠性的設(shè)計(jì)手段均被應(yīng)用于載人運(yùn)載火箭；此外，載人運(yùn)載火箭為了提高宇航員的安全性及適應(yīng)性，開展了大量的地面試驗(yàn)以及飛行試驗(yàn)，對(duì)載人運(yùn)載火箭的可靠性進(jìn)行了充分驗(yàn)證。

表7 載人與非載人運(yùn)載火箭故障數(shù)量對(duì)比

2.9 按故障原因統(tǒng)計(jì)分析

按照故障產(chǎn)生的原因可分為6種，包括設(shè)計(jì)缺陷、工藝、環(huán)境、地面操作、元器件與材料以及其他。不同故障原因所占的比例情況見圖2。

圖2 按故障原因統(tǒng)計(jì)對(duì)比

按照故障原因統(tǒng)計(jì)，因元器件和材料原因?qū)е氯蝿?wù)失利的比例最大，占16%；設(shè)計(jì)缺陷和工藝所占比例分別為12%和9%；另有53%原因不詳。

3 結(jié) 論

提高火箭發(fā)射成功率一直是航天界矢志不渝的目標(biāo)。然而火箭發(fā)射事故種類繁多，造成故障的原因千差萬別。本文通過對(duì)半個(gè)多世紀(jì)以來世界范圍內(nèi)一次性運(yùn)載火箭飛行失利的量化研究，分析其特點(diǎn)和規(guī)律，以期吸取歷史教訓(xùn)，實(shí)行更為嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，降低發(fā)生任務(wù)失利的可能性。

a）制定關(guān)鍵系統(tǒng)故障預(yù)防對(duì)策，提高火箭可靠性。

動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是運(yùn)載火箭中的核心系統(tǒng)，也是失敗率發(fā)生最高的兩大分系統(tǒng)。加強(qiáng)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的質(zhì)量控制，制定防范措施，對(duì)于提高火箭飛行可靠性至關(guān)重要。具體措施包括：1）充分認(rèn)識(shí)兩大系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、生產(chǎn)、試驗(yàn)體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，嚴(yán)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，加強(qiáng)過程控制，加強(qiáng)量化控制；2）高度重視技術(shù)狀態(tài)控制，做好技術(shù)狀態(tài)的閉環(huán)管理，不僅要掌握所有的狀態(tài)變化環(huán)節(jié)，還應(yīng)系統(tǒng)全面地開展?fàn)顟B(tài)變化影響分析；3）關(guān)注重點(diǎn)系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)、產(chǎn)品狀態(tài)以及天地一致性差異，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)做好檢查確認(rèn)，確保動(dòng)力和控制系統(tǒng)在火箭飛行過程中工作正常；4）高度重視地面試驗(yàn)驗(yàn)證，通過大量地面試驗(yàn)驗(yàn)證保障航天發(fā)射高成功率。

b）重視新構(gòu)型火箭首飛前驗(yàn)證，降低首飛風(fēng)險(xiǎn)。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，新構(gòu)型火箭前3次飛行的失敗風(fēng)險(xiǎn)較大，如阿里安5G的前2次發(fā)射全部失敗，阿里安5ECA、德爾它4H、天頂號(hào)3SL的前3次發(fā)射中也各有1次失敗。分析原因，這些新構(gòu)型火箭大多采用了新的方案和技術(shù)，如德爾它4H火箭捆綁2枚公用芯級(jí)作為液體助推器，較以往火箭結(jié)構(gòu)變化較大；阿里安5ECA的失利則是由于新型發(fā)動(dòng)機(jī)火神2的故障所致。由此可見，當(dāng)研制一種新型火箭，尤其是大量采用新技術(shù)時(shí)，應(yīng)更加注意研制過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，并增加驗(yàn)證試驗(yàn)次數(shù)和復(fù)檢工作。

c）關(guān)注低溫運(yùn)載火箭研制和質(zhì)量控制。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，采用低溫推進(jìn)劑的運(yùn)載火箭故障比例高于常規(guī)推進(jìn)劑火箭。為了提高低溫火箭任務(wù)成功率，應(yīng)采用更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)馁|(zhì)量控制措施。對(duì)于在役低溫運(yùn)載火箭，對(duì)技術(shù)方案持續(xù)改進(jìn)，從根本上杜絕Ⅰ、Ⅱ類單點(diǎn)故障模式，提高系統(tǒng)可靠性；完善火箭出廠前質(zhì)量控制措施，提高系統(tǒng)測(cè)試覆蓋性；深化、細(xì)化、量化技術(shù)指標(biāo)，對(duì)標(biāo)梳理指標(biāo)滿足情況，提前發(fā)現(xiàn)可能引起任務(wù)成敗的質(zhì)量隱患。對(duì)于新研制的新構(gòu)型低溫火箭，在方案設(shè)計(jì)過程中，要采用冗余設(shè)計(jì)、裕度設(shè)計(jì)和容錯(cuò)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)手段，高度重視地面試驗(yàn)對(duì)技術(shù)方案正確性的驗(yàn)證工作，制定合理的研制周期。

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The Quantification Analysis of Expendable Launch Vehicle Failures

Zheng Li-wei1, Qin Tong1, He Wei1, Long Le-hao2

(1. Beijing Institute of Aerospace Systems Engineerin, Beijing, 100076; 2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, China, 100076)

The failures of world’s major 29 serous of launch vehicles, from 1957 to 2014, are reviewed. This study takes many aspects into consideration, such as types, failure stage, maiden fights, stage number, capabilities, propellant categories, failure subsystem, manned vehicle and failure causes, to analyze the causes of failures of launch vehicles all over the world. Based on data quantification analysis, pertinent suggestions are provided for keeping the high mission success rate of China Long March series launch vehicles.

Expendable launch vehicle; Flight failure; Quantification analysis

1004-7182(2016)02-0055-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160212

V57

A

2015-09-30；

2015-11-02

鄭立偉（1980-），男，高級(jí)工程師，主要從事運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)