俄“聯(lián)盟/進(jìn)步”火箭發(fā)射失敗分析

李梅

2016年12月1日，俄羅斯“聯(lián)盟”U火箭發(fā)射的“進(jìn)步MS04”號(hào)貨運(yùn)飛船在升空383秒后與地面失去聯(lián)系，最終墜毀于俄圖瓦共和國(guó)境內(nèi)，使國(guó)際空間站的貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)遭受巨大挫折。這是俄航天工業(yè)整頓和航天發(fā)展計(jì)劃重新調(diào)整后發(fā)生的較大事故，令人失望和疑惑。

火箭基本性能及事故情況

俄“聯(lián)盟/進(jìn)步”火箭性能此次事故中的“聯(lián)盟“U運(yùn)載火箭是蘇聯(lián)/俄羅斯的主力火箭系列，蘇聯(lián)以戰(zhàn)略導(dǎo)彈為基礎(chǔ)發(fā)展了“東方”號(hào)運(yùn)載火箭，后續(xù)又發(fā)展了“聯(lián)盟”號(hào)火箭，其首次發(fā)射是在1963年11月?！奥?lián)盟”火箭最初是一種三級(jí)火箭，后被發(fā)展為四級(jí)，而此次承運(yùn)的“進(jìn)步”號(hào)飛船為非載人貨運(yùn)飛船，目前主要擔(dān)負(fù)國(guó)際空間站貨物運(yùn)輸?！奥?lián)盟”號(hào)火箭近地軌道有效載荷6 855千克，長(zhǎng)度45.2米，中心直徑3米，發(fā)射質(zhì)量30.3噸。其中，“聯(lián)盟”U火箭為兩級(jí)結(jié)構(gòu)，全部采用液氧、煤油推進(jìn)劑，主要用于發(fā)射載人/不載人貨運(yùn)飛船或軍用照相偵察衛(wèi)星，曾發(fā)射過(guò)“上升”號(hào)載人飛船、“聯(lián)盟”號(hào)載人飛船、“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船以及第2代“宇宙”號(hào)照相偵察衛(wèi)星?！奥?lián)盟”系列火箭從1960年開(kāi)始研制，總體設(shè)計(jì)非常成功，而且發(fā)射次數(shù)非常多，明顯的可靠性缺陷均已被發(fā)現(xiàn)和修正，是世界上最可靠的火箭系列之一。其中“聯(lián)盟”U火箭自1973年首飛到2011年期間，發(fā)射745次，失敗21次，成功率達(dá)到97.2%。但是近些年來(lái)，包括“聯(lián)盟”U在內(nèi)的俄系火箭頻頻出現(xiàn)發(fā)射事故。

事故中的“進(jìn)步”號(hào)飛船是蘇/俄向空間站運(yùn)送物資的主力飛船，自1972年開(kāi)始向太空運(yùn)送貨物以來(lái)，一直有較為良好的安全發(fā)射紀(jì)錄。但近年來(lái)，“進(jìn)步”號(hào)飛船發(fā)射事故也逐漸增多。2011年8月，1艘“進(jìn)步M12M”號(hào)貨運(yùn)飛船因運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)故障，在升空后發(fā)生爆炸。2012年7月、2013年4月和2015年4月，“進(jìn)步”號(hào)飛船在發(fā)射升空后均遭遇各種技術(shù)故障，但未釀成重大事故。此次是本年度內(nèi)“進(jìn)步”號(hào)飛船第二次發(fā)生故障。

“聯(lián)盟/進(jìn)步”火箭事故情況2016年12月1日，莫斯科時(shí)間17時(shí)52分，俄從哈薩克斯坦境內(nèi)的拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射“聯(lián)盟”U火箭，向太空發(fā)射了“進(jìn)步MS04”號(hào)貨運(yùn)飛船。該飛船計(jì)劃向國(guó)際空間站運(yùn)送包括燃料補(bǔ)給裝置、壓縮氣體、水以及新式太空服等物資在內(nèi)的2.5噸重貨物。但是飛船在升空383秒后因?yàn)椤胺浅Ｒ?guī)情況”與地面失去了信號(hào)聯(lián)系，并從距離地面190千米的高空處開(kāi)始下墜。飛船在穿過(guò)大氣層時(shí)大部分被燒盡，殘骸墜落于俄圖瓦共和國(guó)的無(wú)人區(qū)內(nèi)。此次事故未造成地面人員傷亡。雖然事故并未對(duì)國(guó)際空間站的功能以及空間站內(nèi)人員的生活造成影響，但是給空間站補(bǔ)給和未來(lái)運(yùn)行帶來(lái)不利。俄國(guó)家航天集團(tuán)內(nèi)部人員稱，事故原因可能是“發(fā)動(dòng)機(jī)故障或者操作系統(tǒng)失靈”。事故報(bào)告可能在2個(gè)月內(nèi)作出。

近年俄火箭發(fā)射主要故障情況

計(jì)算錯(cuò)誤故障此類(lèi)故障是由于使用公式和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而發(fā)生的，通常發(fā)生在軌道計(jì)算方面。例如，2011年8月19日，由于導(dǎo)航周期設(shè)置太短，攜帶“快車(chē)-AM4”衛(wèi)星的“質(zhì)子”M火箭在升空后未能完成第五次點(diǎn)火，衛(wèi)星進(jìn)入錯(cuò)誤軌道而且不能以自身動(dòng)力進(jìn)入地球靜止軌道，發(fā)射任務(wù)完全失敗?；鸺罩惺Э?，結(jié)構(gòu)解體后起火爆炸。此類(lèi)故障雖然發(fā)生在程序設(shè)計(jì)方面，但是“質(zhì)子”M火箭已發(fā)射數(shù)十年，積累了大量數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，而仍能發(fā)生此類(lèi)計(jì)算錯(cuò)誤，表明俄在航天器運(yùn)行管理和設(shè)計(jì)方面存在問(wèn)題。

生產(chǎn)責(zé)任事故這類(lèi)事故被認(rèn)為是俄航天事故的主要原因，在蘇聯(lián)解體、俄航天基礎(chǔ)工業(yè)投資不足、人員素質(zhì)和責(zé)任心大幅下降的情況下，此類(lèi)故障比例非常高。例如，2011年8月24日，“聯(lián)盟”U火箭搭載“進(jìn)步M12M”貨運(yùn)飛船發(fā)射升空，325秒以后，火箭與地面失去聯(lián)系。后來(lái)的事故調(diào)查證明，事故是由于火箭生產(chǎn)制造時(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重的低級(jí)質(zhì)量問(wèn)題——燃料運(yùn)輸管道堵塞，導(dǎo)致燃?xì)獍l(fā)生器故障而引發(fā)的。2012年8月6日，“質(zhì)子”/“微風(fēng)”火箭上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)在第三次點(diǎn)火期間僅工作7秒后異常關(guān)機(jī)，衛(wèi)星丟失，調(diào)查發(fā)現(xiàn)上面級(jí)燃油管路中的金屬節(jié)流孔板未按設(shè)計(jì)規(guī)范制造。2007年9月5日，由于“質(zhì)子”M火箭1、2級(jí)間桁架上的電纜損壞，導(dǎo)致火箭級(jí)間分離的爆炸螺栓未能點(diǎn)火，1、2級(jí)分離失敗發(fā)生事故。

工藝可靠性問(wèn)題由于俄航天工業(yè)長(zhǎng)期投入不足，生產(chǎn)設(shè)施老化，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)降低，最終使得火箭部件可靠性大幅下降，這也是俄火箭事故頻發(fā)的主要原因之一。例如，2011年2月1日，“隆聲”號(hào)/“微風(fēng)”KM火箭從普列謝茨克發(fā)射場(chǎng)升空，由于控制系統(tǒng)失靈，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提前關(guān)閉，搭載的俄“地球IK-2”軍事衛(wèi)星進(jìn)入錯(cuò)誤軌道。2012年12月8日，“質(zhì)子”/“微風(fēng)”M火箭上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)在第四次點(diǎn)火時(shí)提前4分鐘關(guān)機(jī)，衛(wèi)星未進(jìn)入預(yù)定軌道，最后通過(guò)自身變軌才到達(dá)預(yù)定軌道，調(diào)查發(fā)現(xiàn)上面級(jí)渦輪軸承損壞。

人為失誤故障作為歷史悠久的航天大國(guó)，最難以接受的是人為失誤。例如，2010年12月5日，“質(zhì)子”M/DM03火箭發(fā)射起飛十分鐘后發(fā)生故障，導(dǎo)致3顆“格洛納斯”導(dǎo)航衛(wèi)星墜入太平洋。調(diào)查發(fā)現(xiàn)失敗原因是由于計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致火箭多加了1.5噸推進(jìn)劑。2013年7月2日，俄羅斯“質(zhì)子”火箭發(fā)射3顆衛(wèi)星再次失敗，火箭升空后，角速度傳感器發(fā)生故障，導(dǎo)致偏航軸失去穩(wěn)定，火箭墜毀爆炸。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，火箭控制系統(tǒng)的6個(gè)角度速度傳感器中的3個(gè)安裝顛倒，這純屬人為事故。這次事故直接導(dǎo)致了俄對(duì)航天管理系統(tǒng)的整頓和調(diào)整。

設(shè)計(jì)隱患問(wèn)題雖然“聯(lián)盟”和“質(zhì)子”等系列火箭累計(jì)發(fā)射次數(shù)多，積累了大量經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，但由于不斷的設(shè)計(jì)改進(jìn)，也導(dǎo)致了諸多問(wèn)題。例如，2008年3月15日，“質(zhì)子”/“微風(fēng)”M火箭上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器與推進(jìn)劑渦輪泵之間的氣體管路破裂，導(dǎo)致主發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵關(guān)機(jī)，導(dǎo)致發(fā)射失敗。事故后俄增加了氣體管路壁厚。2014年5月16日，俄“質(zhì)子”/“微風(fēng)”M火箭上面級(jí)與衛(wèi)星未能與三子級(jí)分離，發(fā)射失敗。調(diào)查發(fā)現(xiàn)渦輪泵轉(zhuǎn)子材料在高溫環(huán)境下性能衰減，加之平衡系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上存在缺陷，造成轉(zhuǎn)子失衡，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失靈。2015年4月28日，“聯(lián)盟”2火箭將“進(jìn)步”號(hào)飛船送入錯(cuò)誤軌道，未能實(shí)現(xiàn)與國(guó)際空間站對(duì)接，導(dǎo)致飛船墜毀。事故原因是火箭末級(jí)與飛船連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題導(dǎo)致兩者工作頻率失常，造成火箭末級(jí)儲(chǔ)箱密封失效?？梢?jiàn)，多次發(fā)射成功并不能保證所有條件下發(fā)射均能成功。

俄“聯(lián)盟”火箭發(fā)射失敗分析

企業(yè)監(jiān)管混亂首先是監(jiān)管不力，沒(méi)有建立專(zhuān)門(mén)的監(jiān)管體系和嚴(yán)格的監(jiān)管制度，其次所有的航天企業(yè)都被改造成控股公司，難于監(jiān)管。預(yù)算資金使用不合理，“格羅納斯”導(dǎo)航系統(tǒng)約30%的任務(wù)沒(méi)完成。審計(jì)院認(rèn)為，俄衛(wèi)星及“進(jìn)步 M12M”貨運(yùn)飛船發(fā)射失敗可能是財(cái)務(wù)破壞的直接后果。聯(lián)邦航天局存在違規(guī)行為，如在發(fā)射時(shí)使用僅做過(guò)有限次測(cè)試的新研產(chǎn)品。航天器由上萬(wàn)個(gè)元件與部件構(gòu)成，任何一個(gè)器件質(zhì)量不過(guò)關(guān)都可能帶來(lái)災(zāi)難性后果?！奥?lián)盟”號(hào)火箭共進(jìn)行過(guò)近800次發(fā)射，發(fā)射成功率高達(dá)約97%，但最成熟的運(yùn)載火箭也要高度重視生產(chǎn)環(huán)節(jié)管理，缺少對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的監(jiān)督是航天事故的主因。

管理機(jī)制落后蘇聯(lián)時(shí)期在航天系統(tǒng)工作的人員的工資比其它行業(yè)高出15%～20%，而現(xiàn)在航天行業(yè)的工資卻缺少吸引力。以赫魯尼切夫中心為例，該中心的員工平均工資為2.8萬(wàn)盧布，而莫斯科的人均工資超過(guò)4萬(wàn)盧布，如此低的工資很難吸引高校畢業(yè)生。此外，企業(yè)之間缺乏任務(wù)和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，也是導(dǎo)致質(zhì)量事故頻發(fā)的重要原因。美國(guó)航天飛機(jī)停飛后，地面與國(guó)際空間站之間的載人運(yùn)輸任務(wù)全部由俄方飛船承擔(dān)，俄羅斯一舉掌握了“通天”的壟斷地位。這一協(xié)議的最大受益者是俄羅斯航天業(yè)的領(lǐng)軍者——能源火箭航天公司。該公司曾樂(lè)觀地表示“到2017年之前我們沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手”。由于沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，導(dǎo)致管理模式落后，企業(yè)嚴(yán)重缺乏活力。

待遇下降導(dǎo)致責(zé)任意識(shí)不高“質(zhì)子”M火箭的2次發(fā)射故障都可以歸結(jié)為人為因素?！百|(zhì)子”M/DM-03由于燃料加注錯(cuò)誤造成火箭發(fā)射失敗。DM-03上面級(jí)是在DM3的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，推進(jìn)劑貯箱容積比DM3增大約25%，而DM-03采用了新的推進(jìn)劑液面?zhèn)鞲衅鳎职凑张f的工作流程加注，致使推進(jìn)劑最終多加注了1.5噸。推進(jìn)劑加注過(guò)量必然導(dǎo)致衛(wèi)星不能進(jìn)入正確軌道。“質(zhì)子”M/“微風(fēng)”M又是因程序編寫(xiě)錯(cuò)誤導(dǎo)致衛(wèi)星入軌失敗。針對(duì)這種情況，除了要提高人員的責(zé)任意識(shí)，還必須建立起嚴(yán)格的質(zhì)量管理規(guī)范，加強(qiáng)發(fā)射前評(píng)審。

技術(shù)人才結(jié)構(gòu)斷層據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅1990～1994年，俄羅斯航天業(yè)總?cè)藬?shù)減少了35%，技術(shù)專(zhuān)家流失超過(guò)了50%。雖然俄政府采取了一系列措施吸引人才，不少青年科技人員涌入航天業(yè)，但萎靡的經(jīng)濟(jì)只能支撐起比原來(lái)少得多的項(xiàng)目，基本失去大規(guī)模培養(yǎng)新人、維持高水平設(shè)計(jì)制造質(zhì)量控制的能力。

投入不足導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施老化近年俄對(duì)航天領(lǐng)域的撥款大幅度增加，但與需求仍有很大差距，加之資金使用監(jiān)管不到位，使得航天工業(yè)基礎(chǔ)明顯滑坡。長(zhǎng)期以來(lái)缺少相應(yīng)的電子元器件基地，許多制造火箭零配件的工廠已不存在，供應(yīng)鏈條斷裂。俄已把蘇聯(lián)時(shí)期建立起來(lái)的科學(xué)儲(chǔ)備使用完，國(guó)內(nèi)航天工業(yè)沒(méi)能力研制大部分航天儀器設(shè)備，俄航天器70%～80%的零部件都靠進(jìn)口。這導(dǎo)致俄運(yùn)載火箭多年不更新，嚴(yán)重老化。

實(shí)際早在2011年之后，俄就對(duì)航天系統(tǒng)進(jìn)行了大力整頓，但沒(méi)起到很好的效果。此次“聯(lián)盟”U事故只是俄航天事故頻發(fā)整體問(wèn)題的一次表現(xiàn)。