国外火箭发射及故障情况统计分析

航天 · 2016-11-22 23:55:16

自1957年至2015年年底，全世界共研制出了10多个系列的上百种火箭，进行了5507次卫星发射，成功5046次，成功率为91．6％。其中，很多型号的火箭现已退役。随着运载火箭技术的不断提高，特别是上世纪90年代新型运载火箭的陆续登场，在火箭性能大幅提高的同时，发射成功率也有所增长。本文重点对1990年以后国外运载火箭的发射情况、火箭故障情况以及故障原因进行统计分析。　　一、典型故障情况　　自20世纪90年代初开始，世界各主要航天大国陆续启动并研制了新型运载火箭，已投入使用的有：美国的德尔它4系列、宇宙神5系列、猎鹰9和心宿二火箭，俄罗斯的质子M／和风M、天顶3SL和联盟2系列，欧洲的阿里安5系列，日本的H一2A系列以及印度的“地球同步卫星运载火箭”(GSLV)。这些新型运载火箭的研制极大地推动了航天技术的发展和进步。国外典型新型运载火箭发射情况见表1。

表1国外新型运载火箭发射成功率(截至2015年12月31日)　　1．阿里安5系列　　阿里安5系列包括阿里安5的基本型和改进型，目前只有阿里安5ECA、阿里安5ES在役。在其全部83次发射中，2次失败，2次部分成功。　　(1)阿里安5G　　阿里安5G经过了3次飞行鉴定后才正式投入使用，前2次飞行都以失败告终。火箭于1996年6月4日进行首飞，飞行至约37s(T+37s)时，备用和主惯性基准系统先后失灵，两台固体助推器和“火神”发动机喷管偏转至极限位置，导致火箭突然偏离飞行轨道，固体助推器与芯级连接处断裂，触发了火箭自毁系统，火箭自毁。经调查，制导导航数据丢失是导致本次发射失败的直接原因，而数据丢失是由于惯性基准系统所用软件在设计和测试中存在根本性错误。调查委员会提出14条整改建议，重点对软件的测试审查做了说明。　　1997年10月30曰，阿里安5G在进行第二次鉴定飞行中芯级发动机在飞行过程中产生了900Nm的滚动力矩，使火箭发生滚转，提前触发了液氧耗尽信号，致使芯级发动机提前关机，模拟卫星未进入预定轨道。产生滚转的原因是：　　1)喷管内壁存在一定的粗糙度，使喷管排气产生微弱的螺旋运动； 　　2)发动机的重心偏移，造成推力不对称； 　　3)涡轮泵排气管支杆断裂。事后，针对此次故障专门设计了力矩测量装置，用于测量“火神”发动机点火试验的固有滚动力矩。　　此外，在A503火箭上安装辅助的姿控系统。经过分析，该方法最为简单，只需对飞行程序软件进行最少的改进。新的姿控系统将能承受1650 Nm的滚动力矩。　　　　(2)阿里安5ECA　　阿里安5ECA火箭是欧空局在阿里安5G的基础上改进芯级主发动机和更换二子级而形成的新型火箭，除首飞失败外，其余发射全部成功。　　2002年12月1 1日，阿里安5ECA火箭飞行至178s时， “火神”2主发动机出现严重的扰动，导致火箭飞行控制不平稳；1 87s时，火箭飞至大约150km高空，在不稳定的状况下，HM一7B发动机意外关机，抛掉了整流罩，火箭完全失去控制，偏离飞行轨迹；455s时，发控中心指挥人员发出自毁指令，火箭在69kin高空中爆炸。经调查， “火神”2发动机喷管的冷却回路上发现了裂隙，这使得喷管因承受严重的过热载荷而损坏，导致“火神”2发动机推力失去平衡，火箭失去控制。事后，对喷管延伸段进行了重新设计，增强了喷管机械结构并改善了管壁热环境。喷管上部结构主要通过一个纯金属造的外封套来增加强度。热环境的改善主要通过两种途径来实现：在管壁上使用防热涂层，以减少管壁上总流量输入；增加冷却剂流量，提高冷却能力。　　2．德尔它4H　　德尔它4系列是美国空军在“渐进一次性运载火箭” (EELV)计划下研制的火箭，是美国的两大主力运载火箭之一。自2002年首飞以　　来，除首次验证飞行部分成功外，其余全部成功。　　2004年12月21日，德尔它4H进行了首次演示验证飞行。火箭起飞约4min后，左右两个助推器关机，与火箭芯级脱离，但发动机关机时间以及随后的助推器分离时间比预计的都提前了8s，因此上面级被迫延长工作时间，以弥补性能的不足。最终发动机因燃料耗尽，未能完成最后的机动，在经过了5h50min飞行后，大型验证载荷成功分离，但载荷进入了较低的轨道，发射取得了部分成功。　　经调查，安装在一级动力系统输送管内的液位传感器由于管路自身的流阻造成了气蚀，从而误发了关机信号，造成一级发动机提前关机，最终使得有效载荷未能进入预定轨道。为了消除类似大型火箭在飞行时出现的气蚀现象，最主要的措施是增加液氧贮箱压力，补偿液氧输送管路内的压力限制条件。根据大型火箭飞行期间积累的经验，德尔它4以后每次飞行任务前都要在最恶劣的工作条件下进行气穴测试。　　3．宇宙神5　　宇宙神5系列是EELV计划下研制的另一种火箭，除1次部分成功外，其余全部成功。　　2007年6月15日，宇宙神5／401火箭发射国家侦察办公室的2颗海洋监测卫星，由于RLl0半人马座上面级发动机液氢管路上的阀门出现问题，造成液氢泄漏，致使半人马座上面级的第二次点火提前4s关机，卫星被送入高度842km X 1 186kin、倾角为63．35。的轨道，比预期的高度1000km X 1200km、倾角为63．4的轨道略低，发射取得部分成功。事后，联合发射联盟公司更换了宇宙神5火箭半人马座上面级的阀门。　　4．猎鹰9　　猎鹰9火箭是太空探索技术公司(SpaceX)的主营产品，旨在为美国近地轨道运输提供安全、可靠、性价比高的发射服务，在20次发射中，1次部分成功，1次失败，成功率89．5％。　　2012年10月7日，猎鹰9火箭携带“龙”飞船和次要载荷“第二代轨道通信” (OG2)卫星发射升空，首次正式执行国际空间站商业货运　　任务。飞行约79s后，火箭一子级一台发动机突然失压并关机，其他8台发动机工作正常，但其工作时间超出了近30s。国际空间站任务未受影响，次要载荷被迫置于错误轨道上，最终坠毁。　　经过分析，一台发动机在最大动压区域因恶劣的使用环境造成其内部故障或损坏是本次故障的最大可能原因。本次发射在损失一台发动机推力的情况下依然出色地完成了主要任务，证明了猎鹰9火箭系统的冗余设计和检测调整系统的可行性。　　2 0 1 5年6月2 8日，猎鹰9一1．1火箭搭载“龙”飞船从肯尼迪航天中心发射，执行第7次国际空间站商业货运补给任务。火箭升空　　2minl9s后，火箭头部开始出现由于大量低温液氧泄漏而形成的白色水蒸气烟雾并逐渐包围箭体，随后开始有碎片迸出， “龙”飞船脱离火箭。发射后2min27s，火箭和飞船随剧烈爆炸而损毁。经调查，此次飞行失利的故障定位于二级氧箱里，一个用于固定增压用的高压氦气瓶的钢支架，由于其全部浸没在密度较大的液氧中，在飞行过程中承受着逐渐增大的过载并可能发生断裂，导致气瓶冲撞至贮箱壳体上，造成了大量高压氦气快速泄漏，进入液氧贮箱，使其压力上升，在短短的0．9s时间之内造成贮箱结构破坏，并最终造成飞行失利。氦气瓶钢支架长60cm、厚2．5cm，最大承载能力为44．5kN，是峰值载荷的3倍。此次飞行中，当支架载荷达到其最大承载能力的1／5时就发生了失效。该支架是由一家外部供应商提供的。太空探索技术公司计划改进支架设计方案，并将支架材料更换为镍基合金。很可能会更换供应商，并将对这类部件进行更充分的测试。　　5．心宿二　　心宿二运载火箭是在NASA“商业轨道运输服务”计划下由美国轨道科学公司研制的固液混合运载火箭。截止目前，心宿二火箭共发射5次，其中1次失败。　　2014年10月28日，心宿--130型火箭搭载装有2215kg货物的“天鹅座”飞船升空15s后发生爆炸，船箭俱毁。本次发射是该公司的第3次国际空间站任务，同时也是该型火箭的首次飞行。　　2015年10月29日，NASA发布一份由独立调查小组(IRT)针对“心宿二火箭2014年10月Orb一3任务事故”的调查报告。报告指出火箭失败的直接原因是安装在主发动机1位置上的A7-26发动机(E15)爆炸。更确切地说，爆炸首先发生在E15液氧涡轮泵上，随后毁坏了主发动机2位置上的AJ一26发动机(E16)。火箭失去了推力，坠落并发生爆炸。而爆炸发生的根本原因在于三个可能的技术故障：1)AJ一26液氧泵液压平衡组件(HBA)和涡轮后轴承设计的鲁棒性不充分；2)E15发动机液氧涡轮泵中存在钛和硅多余物；3)液氧涡轮泵生产或其他工艺缺陷。　　6．H一2系列　　H一2系列火箭包括H一2、H一2A和H一2B三种型号。H一2由于其较高的发射费用和较低的发射成功率(7次发射，2次失败)被淘汰。H一2A火箭是日本为提高航天发射市场的竞争力在H一2火箭的基础上研制的，自2001年投入使用以来，仅失败1次。　　1999年1 1月l 5日，因LE-7发动机关机时间比预定的时间提前了107s，姿态控制失败，H一2火箭飞行至1 30kin高空后开始下降。二子级LE一5B发动机在火箭飞行不正常的状态下点火，导致“多功能运输卫星” (MTSAT)发射失败。经调查，旋转空穴作用产生的脉动以及叶片在正常频率(3．2kHz)下运转时由于压力脉动产生的共振，导致燃料涡轮泵叶轮破损是失败的主要原因。　　2003年1 1月29日，H一2A火箭起飞62s时，地面人员意外发现，SR B—A助推器喷管的外侧温度突然升高，超出设计极限，使助推器分离系统炸药索在高温下失效，导致SRB—A分离失败。最后地面控制中心发出自毁指令，火箭爆炸。　　分析表明，发射失败是由SRB—A发动机喷管头部侧壁烧穿所致。发动机燃气从烧穿的喷管泄出，烧断了喷管旁用于SRB—A分离的火工品导线，导致分离失败，最后火箭自毁。SRB—A发动机喷管头部外侧温度突然升高的可能原因有两个：　　(1)喷管的耐热材料粘合层泄漏燃烧气体； 　　(2)耐热材料在燃烧气体的作用下熔化变薄，影响了隔热效果。事后，对其喷管结构进行了改进。将原锥形喷管改成了钟形喷管，将喷管出口的角度加大以减少燃气对该处的烧蚀；增大了喷管壁厚度，并适当降低了燃烧室压力；同时改变了火工品导线的布线，并在导线上采用了冗余设计。这些改进使SRB—A的可靠性得到了提高。　　7．俄罗斯火箭故障　　近年来俄罗斯火箭屡遭发射失利，其中不乏一些成熟型号，尤其是质子M和联盟号火箭。在2010年至2015年的5年多时间内，俄罗斯共进行了194次发射，其中180次成功，14次失败及部分成功，完全成功率92．8％。　　2010年至今，质子M火箭每年都会遭遇至少1次发射故障，更是在2012年$N2014年每年出现了2次发射失败情况，发生故障的部位主要是推进系统，其次是控制系统，故障原因涉及系统设计、零部件生产制造、工艺缺陷等方面。究其频繁发生事故的原因，俄航天领域存在经费不足、质量监管不力、设施老化、人才流失严重、新旧火箭型号过渡等问题。

表2 2010—2015年俄罗斯火箭发射故障统计　　二、故障原因分析　　据统计，近25年国外运载火箭共发生故障127起。发生故障的部位多集中在各级推进系统、控制系统、级间分离机构、电气系统、有效载荷整流罩等，故障原因分布如下图所示。

1990年年初到2015年年底运载火箭发射失败情况统计　　1990年年初N2015年年底，由于推进系统故障导致失败的共有64起，占全部发射失败的51％。液体火箭发动机故障表现形式多为推力不足、提前关机，其主要原因为推进剂泄漏、推进系统部件故障、有多余物以及燃烧不稳定等。固体发动机的故障多表现为烧穿燃烧室壁，其主要原因是绝热层脱落、壳段间焊接缺陷等。　　控制系统是除推进系统之外，发生故障频率最高的部位。由于控制系统出现故障而导致整个发射失败的共有24起，占总发射失败率的19％。主要表现为基准系统失去信号或发出错误信号、火箭失控出现翻滚现象等，其主要原因是推力矢量控制系统作动器、箭上计算机故障。其中软件与计算机故障有8起，是控制系统中出现问题最多的部位。　　电气系统和分离系统各有8起故障，各占7％。电气系统故障主要表现为电缆短路、受损以及电源断电和开关问题。分离系统故障主要表现为分离失败和分离不彻底等。原因主要是设计和制造问题，也包括一些人为因素。　　另外，由于整流罩故障而导致发射失败也是一个不可忽视的问题，它会导致卫星不能进入预定轨道，严重时星箭俱毁。主要表现为整流罩过早打开或破裂等。这一类故障的原因是材料不过关、设计和工艺问题以及抛罩分离机构故障等。　　三、结论　　火箭发射事故种类繁多，造成故障的原因更是千差万别。通过对这些故障和原因进行整理和分析，发现了一些特点和规律。在发射前有效地采取预防措施，加强全过程的质量控制，火箭的许多故障都是可避免的。　　1．高度重视新型运载火箭首飞前验证，将首飞风险降至最低　　从20世纪90年代开始，面对不断增长的空间资源开发需求以及日益激烈的商业发射市场竞争环境，各航天大国在不断改进现有火箭的同时，大力研制新一代运载火箭。　　新型运载火箭在前3次飞行中失败风险较大，阿里安5G的前2次发射全部失败，前3次成功率仅为33．3％，阿里安5ECA、德尔它4H、天顶3SL在前3次发射中也各有一次失败，成功率为66．7％。当研制一种新型火箭，尤其是大量采用新技术时，应更加注意研制过程中各个环节的质量控制，不但要重视质量鉴定试验，还应重视靶场实际条件及合练，以确保火箭首发成功。　　　　2．加强推进系统的质量控制，提高火箭可靠性　　推进系统是运载火箭中一个最重的、最大的分系统，也是失败发生最为频繁的系统。加强对推进系统的质量控制，对于提高火箭可靠性至关重要。日本的H一2火箭虽然在研制试验中发现了LE-7发动机燃料涡轮泵叶轮的旋转空穴现象，但在质量试验评审前没有采取其它任何措施就确定了涡轮泵的设计方案。在验收试验中并未对H一2火箭进行充分的检查，导致最终失败。美国的猎鹰9火箭推进系统采用冗余设计，即使在发射中发生1台发动机故障也未导致任务失败。　　3．控制系统故障是第二大诱因，软件与计算机故障呈上升趋势　　　　控制系统的故障是除推进系统之外，发生故障频率最高的部位。据统计，控制系统在近30年的失败率为20％左右。其中软件与计算机故障有8起，是控制系统中出现问题最多的部位。1990～1999年期间，软件计算机的故障导致发射失败占到8％，但自1999年以来，失败率有所上升。针对控制系统故障，应制定相应措施，重视软件设计、审查工作，进一步提升火箭可靠性。　　4．关注地面试验与飞行环境匹配性，确保新型号首飞成功　　在新型运载火箭的研制上，各国进行了大量的地面试验工作，在地面条件下最大复现飞行环境，从材料级、系统级及全箭级检验火箭的各项性能指标，并进行及时修正，以便适应实际飞行环境。试验验证是确保型号发射成功的必要环节和关键保障手段。如何提高地面试验与飞行环境的匹配度是一个值得长期研究的问题。　　5．建立严格的质量保证体系，提高人员素质　　通过分析数据，我们认为发射失败原因可分为两类：第一类属于人为差错，即工艺性差、判断不当、发射管理决策的失误等；第二类是存在有缺陷的零件造成的。这些零部件由于在设计、试验和制造生产中处理不当或发射前检查不充分，使其在运载火箭研制的各个阶段埋下了失败的根源。针对这种情况，必须建立起严格的质量保证体系，提高人员责任意识，并建立起严格的质量管理规范，杜绝一切人为因素、生产工艺和生产管理方面失误引起的故障。

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