近年來俄羅斯運(yùn)載火箭故障綜合分析與啟示—聯(lián)盟－FG火箭發(fā)射失利引發(fā)的思考

張 婭

北京時(shí)間2018年10月11日16時(shí)40分，載有俄羅斯阿列克謝奧·夫奇寧和美國尼克·黑格兩名航天員的聯(lián)盟 MS－10載人飛船由聯(lián)盟－FG運(yùn)載火箭從哈薩克斯坦拜科努爾發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空。出乎意料的是，火箭一子級(jí)一個(gè)捆綁助推器分離失敗，乘員艙以彈道式再入方式下落，所幸船上兩名航天員緊急啟動(dòng)應(yīng)急逃逸系統(tǒng)成功逃生。本次事故是自1983年以來首次因運(yùn)載火箭故障導(dǎo)致載人飛船發(fā)射失敗的案例。更為諷刺的是，俄羅斯專門挑選10月11日作為發(fā)射日，因?yàn)楫?dāng)天是俄羅斯航天骨干企業(yè)、生產(chǎn)“聯(lián)盟”載人飛船的能源生產(chǎn)設(shè)計(jì)聯(lián)合體成立100周年紀(jì)念日。

1 引言

2018年3月，“拋物線弧”（Parabolic Arc）網(wǎng)站曾發(fā)布了一份數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，指出過去30年中，俄羅斯航天任務(wù)共失敗60次，平均每年要失敗2次。報(bào)告還特別指出，回顧過去十年，較為嚴(yán)重的航天事故是向國際空間站運(yùn)送物資的3艘進(jìn)步 M飛船折損、歐洲“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航星座下的兩顆衛(wèi)星被送入錯(cuò)誤軌道，以及發(fā)射“福布斯-土壤”時(shí)致中俄合作研制的火星探測(cè)器損毀，而聯(lián)盟 MS－10載人任務(wù)的失敗再次令一直為頻發(fā)航天故障困擾的俄羅斯航天工業(yè)雪上加霜,這進(jìn)一步破壞了對(duì)俄羅斯運(yùn)載能力、乃至太空能力的信任。

2011－2018年，俄羅斯航天發(fā)射次數(shù)總計(jì)225次（含歐洲“聯(lián)盟”及海射公司“天頂”），發(fā)射事故高達(dá)18次，故障率8%，其中“聯(lián)盟”火箭8次居首位（含部分失敗2次），“質(zhì)子”火箭7次（含部分失敗1次），“轟鳴”2次（含部分失敗1次）以及“天頂”1次?？傮w來看，俄羅斯故障體現(xiàn)了兩個(gè)集中：一是時(shí)間集中，如僅2011年一年就有4起發(fā)射失敗，而2015年20天不到就出現(xiàn)了兩起發(fā)射失利；二是型號(hào)集中，僅“聯(lián)盟”和“質(zhì)子”兩型火箭就占到了失利總數(shù)的83%。

2 故障類型分析

設(shè)計(jì)故障

一般來說，設(shè)計(jì)故障多發(fā)生在研制階段的初期及開始使用階段，或發(fā)生在更換新系統(tǒng)或新部件后的頭幾次飛行，而隨著飛行次數(shù)的遞增，故障將逐漸地減少并趨于穩(wěn)定。不過，成熟火箭也會(huì)因設(shè)計(jì)故障發(fā)射失敗，典型的是2014年8月22日，阿里安航天公司采用聯(lián)盟 ST火箭發(fā)射“伽利略”任務(wù)失敗的案例。此次事故的根本原因并非質(zhì)量控制不嚴(yán)抑或是制造問題，而是火箭配備的“弗雷蓋特”（Fregat）上面級(jí)熱動(dòng)態(tài)要求在研制階段只考慮了短時(shí)燃燒的工況，并未考慮到各子級(jí)系統(tǒng)間的熱傳遞，致使官方的指導(dǎo)文件讓裝配工人在排布燃料管路時(shí)靈活性較大。在“伽利略”任務(wù)中，由于入軌過程延長，從而導(dǎo)致燃料管路布置不當(dāng)引發(fā)推力器肼燃料凍結(jié)，燃料供給中斷，衛(wèi)星被送入錯(cuò)誤軌道。無獨(dú)有偶，2015年4月28日，聯(lián)盟-2-1a火箭發(fā)射進(jìn)步M－27M時(shí)箭、船分離異常，也是因?yàn)樵谘兄七^程中僅單一考慮了火箭和航天器各自的動(dòng)力學(xué)特性，未充分考慮星箭匹配后組合體產(chǎn)生的新特性，因而未能在火箭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)工作中充分重視連接結(jié)構(gòu)。

俄羅斯發(fā)射事故統(tǒng)計(jì)圖（2011－2018年）

2015年5月“質(zhì)子”火箭/“墨西哥通信衛(wèi)星”衛(wèi)星進(jìn)場(chǎng)

聯(lián)盟－2－1b/Fregat發(fā)射流星－M

推進(jìn)系統(tǒng)故障

推進(jìn)系統(tǒng)原本就是運(yùn)載火箭上最易發(fā)生故障的部分，在運(yùn)載火箭發(fā)射失敗案例中，由發(fā)動(dòng)機(jī)故障引起的通常占一大半。以故障發(fā)生最多的“質(zhì)子”火箭為例，在2014年和2015年皆因火箭三子級(jí)渦輪泵葉片在高溫下發(fā)生損耗，造成葉片失衡，進(jìn)而導(dǎo)致三子級(jí)游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)超過振動(dòng)負(fù)載，加之平衡系統(tǒng)不穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)閉，星箭俱毀。事實(shí)上，1988年1月火箭就因此原因發(fā)射失敗，介于當(dāng)時(shí)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)未配備負(fù)載傳感器，未能查明事故的真正原因。另外，從2006－2018年，“質(zhì)子”火箭發(fā)射總數(shù)達(dá)100次，失敗11次，失敗率高達(dá)11%，其中7次均為上面級(jí)故障，“微風(fēng)”上面級(jí)就占到了6次，這充分說明俄羅斯的歸零工作不到位，質(zhì)量監(jiān)管體系存在重大問題。

人為故障

人為故障一般是在制造、裝配、測(cè)試過程中質(zhì)量控制不嚴(yán)造成的故障，偶發(fā)性和隨機(jī)性強(qiáng)。俄羅斯近年來頻發(fā)的航天事故與此難脫干系。最為典型的案例是2013年7月質(zhì)子-M/DM-03運(yùn)載火箭在發(fā)射3顆“格洛納斯”（GLONASS）導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)，因工人在裝配時(shí)將火箭一子級(jí)上6個(gè)角速度傳感器中的3個(gè)安裝顛倒，導(dǎo)致火箭控制系統(tǒng)發(fā)出指令錯(cuò)誤，星箭均在發(fā)射場(chǎng)炸毀。在后續(xù)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，俄羅斯尚無在發(fā)射前防范此類錯(cuò)誤的相關(guān)規(guī)定，而箭上傳感器早在2011年就已安裝完畢，又未拍攝安裝全過程，相關(guān)責(zé)任方自然無法追溯。事實(shí)上，2010年12月俄羅斯也曾采用質(zhì)子－M/DM－03運(yùn)載火箭發(fā)射3顆GLONASS-M衛(wèi)星，由于燃料加注出錯(cuò)，星箭俱毀。2016年12月進(jìn)步 MS－04貨運(yùn)飛船發(fā)射失敗的根本原因也是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部有異物進(jìn)入，導(dǎo)致氧化劑貯箱破裂爆炸，故障性質(zhì)為人為事故。最為諷刺的當(dāng)數(shù)2017年11月28日未能入軌的流星-M氣象衛(wèi)星，竟然因上面級(jí)制導(dǎo)參數(shù)未按照實(shí)際發(fā)射的新建東方發(fā)射場(chǎng)設(shè)定，而是慣性思維直接沿用了往常從哈薩克斯坦拜科努爾發(fā)射場(chǎng)發(fā)射的參數(shù)，完全屬于人為疏忽大意，并非技術(shù)問題，令人啼笑皆非。

3 故障原因綜合分析

經(jīng)濟(jì)及政治形勢(shì)日益惡化

20世紀(jì)90年代,俄羅斯向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)過渡的混亂局面就使俄羅斯的太空計(jì)劃陷入了困境。雖然俄羅斯運(yùn)載火箭在衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)上具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力，但聯(lián)邦政府在升級(jí)發(fā)射設(shè)施和開發(fā)新太空技術(shù)方面嚴(yán)重缺乏投資，這使得俄羅斯一直面臨吃老本的局面。世界油價(jià)的暴跌使俄羅斯經(jīng)濟(jì)遭受重創(chuàng)，這使得預(yù)算本就不足的俄航天預(yù)算進(jìn)一步縮水，俄羅斯10年的航天預(yù)算僅與NASA大約1年的預(yù)算相當(dāng)，在這樣的情況下，俄羅斯航天自然很難健康發(fā)展。2014年烏克蘭危機(jī)爆發(fā)后，俄羅斯遭遇了經(jīng)濟(jì)制裁與政治抵制，俄羅斯航天工業(yè)面臨的局勢(shì)更加窘迫。據(jù)2018年6月俄羅斯衛(wèi)星網(wǎng)（Sputnik）國家新聞機(jī)構(gòu)報(bào)道，俄羅斯航天國家集團(tuán)公司（Roscosmos）很有可能在未來3年（2019－2021年）面臨高達(dá)1500億盧布（超20億美元）的資金缺口，這將使本就面臨困境的俄羅斯發(fā)射業(yè)再度陷入危機(jī)。

現(xiàn)代化質(zhì)量監(jiān)管體系缺失，技術(shù)、管理歸零不到位

盡管每次事故后俄羅斯均會(huì)信誓旦旦地發(fā)表聲明，嚴(yán)查故障原因，追究責(zé)任人，并實(shí)施行之有效的管控措施來杜絕航天事故的再次發(fā)生，但其一而再、再而三地發(fā)生故障，且均集中在成熟型號(hào)上，這不得不更讓國內(nèi)外質(zhì)疑俄羅斯航天產(chǎn)品的質(zhì)量管理體系。迄今，上至俄航天局局長、下至重要航天研究和生產(chǎn)企業(yè)的負(fù)責(zé)人都被更換過，事實(shí)證明，這種尋找“替罪羊”的辦法并不能阻止事故再次發(fā)生，高頻的航天事故已經(jīng)不是單純的質(zhì)量事故，而折射出更多俄羅斯航天的痼疾。蘇聯(lián)時(shí)期，俄羅斯航天一直是由軍方管理，蘇聯(lián)解體后，俄羅斯原有的軍事化領(lǐng)導(dǎo)體制在政治體制轉(zhuǎn)型過程中解體，迫于經(jīng)濟(jì)壓力，航天從軍隊(duì)中脫離出來，成立了聯(lián)邦航天局，作為專門的政府機(jī)構(gòu)來管理航天產(chǎn)業(yè)。監(jiān)管機(jī)制“去軍事化”后，俄羅斯并未設(shè)立獨(dú)立的測(cè)試機(jī)構(gòu)來檢驗(yàn)產(chǎn)品，而是由相應(yīng)的軍工生產(chǎn)企業(yè)自行完成，這種“既當(dāng)考生又當(dāng)考官”的制度顯然不能保證航天產(chǎn)品的質(zhì)量，反而使故障漸成“常態(tài)”。多個(gè)航天器的折戟沉沙，幾乎都與航天產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督不力和生產(chǎn)部門責(zé)任不明有很大關(guān)系。目前看來，俄羅斯并未向現(xiàn)代化質(zhì)量控制體系過渡，也無適當(dāng)?shù)臅娉绦蚩梢苑婪稿e(cuò)誤。經(jīng)驗(yàn)豐富的老一代工程師也已退休，而新一代年輕人也從未進(jìn)行任何系統(tǒng)的培訓(xùn)。若想重振俄羅斯航天業(yè)，行業(yè)內(nèi)部必須“刮骨療傷”，建立嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系。

生產(chǎn)能力及配套發(fā)射服務(wù)難以滿足高密度發(fā)射需求

單從規(guī)模上來看，俄羅斯繼承了蘇聯(lián)航天業(yè)90%的資產(chǎn)，算得上“家大業(yè)大”，但由于歷史原因，俄羅斯多型現(xiàn)役火箭雖標(biāo)屬俄羅斯，實(shí)際上是由俄羅斯、烏克蘭與哈薩克斯坦共同參與研制，火箭部件也非全部由俄羅斯生產(chǎn)，因此想要全盤掌控，絕非易事。隨著單型火箭發(fā)射密度的增加，暴露的問題越來越多。以質(zhì)子－M/微風(fēng)－M火箭為例，最初年發(fā)射次數(shù)約2次/年，自2006年開始增加，最多達(dá)到12次/年，無獨(dú)有偶，也正是從這一年開始，該型火箭幾乎年年都出現(xiàn)發(fā)射失利。2016年年底，俄羅斯又發(fā)現(xiàn)制造廠家在粘結(jié)“質(zhì)子”火箭二子級(jí)和三子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)零件時(shí)使用了錯(cuò)誤焊料，不得不將58臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)返廠進(jìn)行重新評(píng)估，造成“質(zhì)子”長時(shí)間停飛。從某種程度上而言，這可以說明俄羅斯運(yùn)載火箭的整體航天發(fā)射能力根本不能滿足高密度發(fā)射的需求，直接或間接誘發(fā)了發(fā)射活動(dòng)中事故隱患的出現(xiàn)。質(zhì)量控制問題以及SpaceX公司的崛起，使俄羅斯在發(fā)射市場(chǎng)的主導(dǎo)地位受到了挑戰(zhàn)。2016年俄羅斯全球發(fā)射總數(shù)僅排名第三，2017年盡管發(fā)射總數(shù)增加至21次，但按歷史標(biāo)準(zhǔn)來看仍然很低,而2018年俄羅斯僅發(fā)射20次，大幅落后于中國（39次）和美國（34次）。在GEO商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)，曾經(jīng)的老大哥“質(zhì)子”火箭已經(jīng)排在獵鷹－9和“阿里安”之后，而保險(xiǎn)市場(chǎng)已經(jīng)認(rèn)定“質(zhì)子”火箭10次發(fā)射必定有1次失敗，這成為保險(xiǎn)商的定價(jià)依據(jù)。俄羅斯似乎已經(jīng)無力挽回批量客戶流失、保費(fèi)增加的局面，在商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)上份額持續(xù)減少。

航天基礎(chǔ)工業(yè)嚴(yán)重老化，人才流失、斷層現(xiàn)象嚴(yán)重

俄羅斯航天國家集團(tuán)認(rèn)為，相比發(fā)達(dá)國家，俄羅斯航天經(jīng)費(fèi)投入嚴(yán)重不足。在航天研究和發(fā)展方面，俄羅斯的資金投入只有發(fā)達(dá)國家的十分之一，在基礎(chǔ)設(shè)施和人員培訓(xùn)方面的投入只有發(fā)達(dá)國家的五分之一。俄羅斯三分之一的軍工企業(yè)已倒閉，70%的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)過時(shí)，超過半數(shù)的生產(chǎn)模具已在超時(shí)服役。在人員配置方面，老齡化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，員工的平均年齡為50歲，在一些國防產(chǎn)業(yè)研究中心員工的平均年齡甚至超過60歲。航天經(jīng)費(fèi)逐年下滑，基礎(chǔ)工業(yè)嚴(yán)重老化，人才流失、斷層現(xiàn)象非常嚴(yán)重。羅戈津早就指出，2007－2011年，美國以航天火箭技術(shù)發(fā)展為題的科技著作有716部，歐盟有658部，而俄羅斯只有132部。俄羅斯的航天活動(dòng)也幾乎沒有新的亮點(diǎn)，一直處在吃老本的狀態(tài)。

管理改革收效甚微，經(jīng)費(fèi)支配仍不合理

俄羅斯總統(tǒng)普京早就指出俄羅斯軍工業(yè)發(fā)展滯后，航天產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)存在問題，要求采取“強(qiáng)有力且涵蓋范圍廣”的路線實(shí)現(xiàn)“躍進(jìn)”式發(fā)展。2016年1月1日，原聯(lián)邦航天局與聯(lián)合火箭航天公司合并，組建了俄羅斯航天國家集團(tuán)公司，其目的包括清除冗余工業(yè)能力、優(yōu)化質(zhì)量控制流程等。羅戈津曾宣布要裁掉現(xiàn)有25萬員工中的10萬，再每年招收1萬名大學(xué)畢業(yè)生，為航天注入新鮮血液。目前來看，俄羅斯航天國家集團(tuán)公司的成立似乎并未緩解俄羅斯航天的困境。最近5年來，俄羅斯航天火箭以及防空導(dǎo)彈等領(lǐng)域的骨干企業(yè)大幅改組，各種集團(tuán)和財(cái)團(tuán)不停拆分、重組，在這一過程中由于牽涉到很多利益集團(tuán)，丑聞也層出不窮。另外，俄羅斯的經(jīng)費(fèi)管理也不如人意。一家俄監(jiān)察機(jī)構(gòu)宣布僅2014年一年俄羅斯航天項(xiàng)目就浪費(fèi)了18億美元，俄羅斯決策者還不斷從航天預(yù)算中抽取經(jīng)費(fèi)支援軍事項(xiàng)目，或是用于東方發(fā)射場(chǎng)、被占領(lǐng)的克里米亞航天設(shè)施等項(xiàng)目。東方發(fā)射場(chǎng)的建筑商正是索契冬奧會(huì)場(chǎng)館的建設(shè)者，其工程進(jìn)度拖沓、質(zhì)量不過關(guān)，也受到了關(guān)于其貪腐的質(zhì)疑。

4 啟示

強(qiáng)化航天型號(hào)可靠性工作及全過程質(zhì)量控制，深入推進(jìn)航天精細(xì)化質(zhì)量管理

成功是航天事業(yè)的生命，但成功不等于成熟，成熟不等于可靠。如今太空發(fā)射服務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，確保進(jìn)入空間必須提供完備的航天發(fā)射服務(wù)。面對(duì)目前高強(qiáng)密度發(fā)射的需求，強(qiáng)化航天型號(hào)可靠性工作及全過程質(zhì)量控制，推進(jìn)精細(xì)化質(zhì)量管理才是確保航天型號(hào)一次成功的重要保證。特別要注意，必須要把控好火箭的研制、裝配、試驗(yàn)、運(yùn)輸?shù)拿總€(gè)環(huán)節(jié)，即使針對(duì)成熟火箭也必須要有一個(gè)再認(rèn)識(shí)、再分析，特別還有一個(gè)再確認(rèn)的過程。只有有效控制火箭產(chǎn)品的質(zhì)量，完善制造驗(yàn)收體系，提高研制管理水平，才能確保每發(fā)成功。

發(fā)射活動(dòng)屬高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，配備至少兩個(gè)系列運(yùn)載火箭,確保航天裝備和空間探索活動(dòng)持續(xù)發(fā)展

隨著運(yùn)載技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)載火箭的故障率相比早期急劇下降，航天活動(dòng)的安全性越來越高，但是航天發(fā)射屬高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，運(yùn)載火箭在研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)及使用過程中，由于外部各種苛刻條件與內(nèi)部各系統(tǒng)固有缺陷的綜合作用，不可避免會(huì)有故障發(fā)生。因此，航天發(fā)射的高風(fēng)險(xiǎn)性決定了至少配備兩個(gè)系列的運(yùn)載火箭的必要性。從某種意義上而言，火箭允許失敗，但國家安全來不得半點(diǎn)閃失。美國就認(rèn)為只有一種發(fā)射國家安全類有效載荷的方式是對(duì)國家安全的重大威脅。除此之外，適度競(jìng)爭(zhēng)還有助于促進(jìn)技術(shù)發(fā)展，增強(qiáng)企業(yè)健康。建議我國在部署新一代運(yùn)載火箭型譜時(shí)重點(diǎn)支持國內(nèi)兩家運(yùn)載火箭總體單位，發(fā)展至少兩型運(yùn)載火箭，以確保國家進(jìn)入空間的能力。