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“质子”火箭发射失利的综合分析与启示


□ 张娅

上海航天技术基础所

摘 要:

莫斯科当地时间2015年5月16日,俄罗斯“质子”M/“和风”M运载火箭携带“墨西哥星”(MexSat)1通信卫星在哈萨克斯坦拜科努尔航天中心发射升空,执行本年度第三次飞行任务。火箭升空第497秒,火箭三子级突发故障紧急停机,火箭三子级、“和风”M上面级以及所载“墨西哥星”1卫星全部坠落至俄西伯利亚东南部的赤塔地区,发射任务宣告失败。这是俄罗斯继今年4月28日“进步”M27M赁运飞船国际空间站补给任务失败后又一起严重的航天事故.

  

  上海航天技术基础所 张娅

  莫斯科当地时间2015年5月16日,俄罗斯“质子”M/“和风”M运载火箭携带“墨西哥星” (MeXSat)1通信卫星在哈萨克斯坦拜科努尔航天中心发射升空,执行本年度第三次飞行任务。火箭升空第497秒,火箭三子级突发故障紧急停机,火箭三子级、 “和风”M上面级以及所载“墨西哥星”1卫星全部坠落至俄西伯利亚东南部的赤塔地区,发射任务宣告失败。这是俄罗斯继今年4月28日“进步”M27M货运飞船国际空间站补给任务失败后又一起严重的航天事故。

  一、失利回顾

  本次搭载的有效载荷为“墨西哥星”1通信卫星,属第四代通信卫星,由美国波音卫星系统公司制造,首次采用702HP GEM平台,重约5.3吨,预计服役15年。本次发射任务保额共计约3.9亿美元,其中卫星为3亿美元,火箭为9000万美元。

  按计划,运载火箭一、二、三子级原本应沿标准东部上升轨道将“和风”M/“墨西哥星”1送入相对赤道倾角51.5。的轨道,发射582秒后“和风”M/“墨西哥星”1与火箭三子级分离。随后,上面级将点火4次,在飞行第3小时48分时将卫星送入转移轨道。至转移轨道近地点后,上面级最后一次点火进入静地转移轨道,卫星与上面级分离,进入目标轨道。

  在实际发射中,运载火箭在三子级工作时段出现了异常情况,火箭当时正位于161千米的高空。事故发生后,俄罗斯联邦航天局立即牵头成立了故障评审监察委员会,彻查事故原因,同时强调,故障原因未查明、整改措施未到位前,“质子”火箭不得复飞。俄联邦航天局于5月29日正式公布了官方调查结果,认定事故的根本原因是火箭三子级涡轮泵叶片在高温下发生损耗,造成叶片失衡,进而导致三子级游动发动机超过振动负载,加之平衡系统不稳定,发动机提前关闭,星箭俱毁。

  无独有偶,在2014年5月16日“质子”火箭执行“快讯”AM4R通信卫星的发射任务中,该型火箭也因三子级游机发动机故障导致发动机提前40秒关闭,星箭俱毁。俄联邦航天局称,自1965年“质子”火箭首飞以来,同类故障共出现了3次。除2014年和2015年外,还有1次发生在1988年1月,由于当时火箭发动机未配备负载传感器,调查委员会未能找到事故的真正元凶。

  二、近5年俄航天事故综合分析

  从2011年至今,俄罗斯共发生14次航天事故,其中2011年5次、2012年2次、2013年2次、2014年3次、2015年2次(截至目前)。因火箭直接导致的发射失利13次,占比高达92.8%.且现役主力火箭型号几乎无一幸免,其中“质子”7次(含部分失败1次)、“联盟”4次、 “天顶”1次以及“呼啸号”1次,多颗军事卫星、通信卫星、导航卫星及2艘货运飞船毁损,经济损失极其惨重。根据公开报道的事故调查结果,按照事故类别加以分类,主要集中在以下两个方面:

  1.推进系统故障

  俄罗斯近年发射失利的原因多为推进系统故障,主要集中在运载火箭末子级(含上面级),高发的事故原因多为发动机故障致提前关闭而未能将有效载荷送入预定轨道。通过对近5年推进系统故障分析来看,体现了两个集中:一是时间集中,如仅2011年一年就有5起航天事故,而2015年20天不到就发生了两起发射失利;二是型号集中,“质子”火箭几乎占发射失利的一半,且年年都有失败记录,这足以说明俄罗斯的航天事故绝非偶发性事件,目前故障的多发还是与俄罗斯航天工业质量监管不严有很大关系。

  2.人为故障

  此类故障多因制造、装配、测试过程中的质量控制不严所致,偶发性和随机性强。最为典型的案例是2013年7月“质子”M/DM-03运载火箭在发射3颗Glonass导航卫星时,因工人在装配时将火箭一子级上6个角速度传感器中的3个安装颠倒,导致火箭控制系统发出错误指令,星箭均在发射场炸毁。在后续的调查中发现,俄罗斯尚无在发射前防范此类错误的相关规定。火箭上使用的传感器由皮柳金院士中心生产,赫鲁尼切夫航天中心负责装配,早在2011年就安装到了火箭上,由于未拍摄安装传感器的全过程,相关责任方无法追溯。事实上,2010年12月俄罗斯也曾采用“质子”M/DM-03运载火箭发射3颗Glonass-M卫星,由于燃料加注出错,星箭俱毁。

  三、失利原因综合分析

  俄罗斯此次发射失败造成了极坏的国际影响,不仅本国经济损失惨重,还严重损害了俄罗斯发射业的国际信誉,属于一起严重的航天事故。通过对整个事件及俄罗斯频发的航天事故综合分析来看,主要归咎于以下四点:

  1.技术、管理归零不到位,缺乏严格的质量监管体系

  从2006年至今,俄罗斯航天事故已达21次之多。尽管每次事故后俄罗斯政府及俄联邦航天局均会信誓旦旦地发表声明,要严查故障原因,追究责任人,并实施行之有效的管控措施来杜绝航天事故的再次发生,但俄罗斯一而再、再而三地发生故障,且均集中在成熟型号上,这不得不让国内外质疑俄罗斯航天产品的质量管理体系。迄今,上至俄航天局局长、下至重要航天研究和生产企业的负责人都被更换过,而事实证明,这种寻找“替罪羊”的方式并不能阻止事故再次发生,也无法扭转俄航天业声誉急剧下滑的趋势。

  高频的航天事故已经不是单纯的质量事故,而折射出更多俄罗斯航天的痼疾。苏联时期,其航天一直是由军方管理。苏联解体后,俄罗斯原有的军事化领导体制在政治体制转型过程中解体,迫于经济压力,航天从军队中脱离出来,成立了联邦航天局,作为专门的政府机构来管理航天产业。监管机制“去军事化”后,俄罗斯并未采取有效的措施来管控航天产品的质量,以人员经费不到位为借口,未设立独立的测试机构来检验产品,而是由相应的军工生产企业自行完成,这种“既当考生又当考官”的制度显然不能保证航天产品的质量。体制上的小修小补未能重振俄罗斯航天业,使其摆脱吃老本的状态,反而使故障渐成“常态”。多个航天器的折戟沉沙,几乎都与航天产品质量监督不力和生产部门责任不明有很大关系。俄罗斯航天专家认为,明确俄罗斯联邦航天局与航天企业之间的权责才是俄罗斯当前航天改革的重中之重。

  2.俄罗斯运载火箭生产能力及配套发射服务等不能满足高密度发射的需求

  以本次发射失利的“质子”M/“和风”M火箭为例,最初发射次数约2次/年,自2006年开始增加,最多达到12次/年。无独有偶,也正是从2006年开始,该型火箭几乎年年都出现发射失利。从某种程度上而言,这可以说明俄罗斯运载火箭的整体航天发射能力根本不能满足高密度发射的需求,直接或间接诱发了发射活动中事故隐患的出现。本次事件将给俄罗斯的航天业带来严重的负面影响,已经威胁到其在国际商业发射市场的垄断地位,批量客户流失将会导致国家商业发射市场份额的重新分配。

  3.顶层规划失误,不能确保新旧火箭实现平稳过渡

  单从规模上来看,俄罗斯继承了苏联航天业90%的资产,算得上“家大业大”,但俄罗斯面临的两次经济危机导致很多航天项目推迟,其中就包括“安加拉”项目。 “安加拉”运载火箭是俄罗斯为了在国际卫星发射市场保持长久的竞争力而研制的新一代运载火箭,以完全取代现役的“轰鸣”、“质子”及“天顶”等火箭。火箭研制工作于1995年启动,曾计划在2003年首次发射,但由于资金短缺未能实现。为稳固国际商业发射市场,俄罗斯不得不一而再、再而三地持续改进现役火箭。

  近年来,由于俄罗斯航天事故不断, “安加拉”运载火箭能否按期服役已经成为俄罗斯重振航天业的关键一环。根据俄运载火箭发展规划,“安加拉”A5将在未来逐步替代目前故障高发的“质子”火箭。尽管“安加拉”1.2PP轻型火箭在2014年7月完成了首次亚轨道飞行, “安加拉”A5大型运载火箭也在同年12月携带模拟有效载荷首飞成功,但是“安加拉”火箭的研制团队和制造商与“质子”火箭完全一样,新型火箭的可靠性势必存疑。另外, “安加拉”火箭只有从新建的、更接近赤道的东方发射场发射,才能体现出其优势,而这可能要在下一个十年才能见分晓。新、旧火箭是否能平稳过渡将是俄罗斯运载领域面临的严峻考验。

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