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一文告诉你航天发射成功有多难

中国宇航学会
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航天发射中,任何一个小的故障都有可能造成发射的彻底失败。而作为最复杂的工业产品之一,运载火箭的数百万个零件都至关重要,而且它们并非各自为战。

“土星5号”托举“阿波罗6号”离开39A发射台

运载火箭分为多个系统,其中包括克服重力、艰难上升的动力系统,负责控制姿态和方向的控制系统,供给各系统电力和信息的电气系统等。本文选取几个案例,说明是哪些故障造成了火箭飞行的失败。

动力系统故障

1. 火箭“漏油”了

2007年6月15日,作为联合发射联盟成立后的第3次发射,宇宙神5-401火箭再次发射升空。载荷为编号NROL-30(美国国家侦察局)的2颗白云-3海洋监视卫星。“白云-3”的2颗卫星均携带有信号情报(SIGINT)载荷。NROL-30任务计划是被发射至1100千米高、倾角为63.4°的低地球轨道上。这次任务是宇宙神5火箭首次发射白云-3卫星。

“宇宙神”发白云-3海洋卫星

火箭起飞,俄制RD-180发动机关机、单发半人马座上面级分离、RL-10A-4-2发动机点火……

但2颗白云-3卫星只进入到了近地点约900千米、远地点1100千米的轨道,即使主发关机后辅助推进器全力抬升轨道,半长轴偏差仍然超过了100千米。严格来说这次发射并不算成功。白云-3卫星配备有巨大的监听天线,并不可能有大机动能力。

问题在于半人马座上面级的RL-10A-4-2发动机。由于液氧阀门泄露,发动机的氧化剂/燃烧剂混合比偏差过大,导致发动机提前4秒关机。

2. 一块抹布引发的爆炸

1990年2月22日,一枚阿里安4运载火箭托举着2颗通信卫星从法国圭亚那库鲁航天发射场发射升空。470吨重的阿里安-44L构型使用4个液体助推器,每个助推器使用1台倾斜9°安装的维京-6液体火箭发动机。一子级使用4台维京-5C液体火箭发动机。二子级使用一台维京4B常温推进剂火箭发动机,这些发动机都使用四氧化二氮和UH-25的双组元常温推进剂。使用低温推进剂的H10组级通过一台HM-7B火箭发动机持续燃烧759秒,以将最多4.73吨的载荷送入地球同步转移轨道。

阿里安-44L构型火箭

火箭点火起飞,甚至还没有离开发射台时,芯级一台维京-5C发动机关机。对于44L构型来说,8台发动机总计会在垂直方向上贡献535吨的推力以推动470吨的运载火箭。失去1台发动机后,推力降低到刚好略大于火箭的质量,于是火箭缓缓地上升,燃气冲刷了发射台顶部。库鲁航天中心的工作人员并不指望火箭还能勉强上升以抵达轨道,但他们肯定也不希望在发射台上空就引爆运载火箭。如果这样的话,400吨剧毒推进剂的爆炸将彻底摧毁发射台,并且使得整座基地充满毒烟。火箭缓缓加速了一分多钟后被空气阻力撕裂,碎片坠毁在法属圭亚那的沼泽里。价值5亿美元的两颗通信卫星Superbird2和BS2X均被彻底摧毁。

问题很快被找到了。罪魁祸首就躺在一节维京-5C发动机的残骸里,是一块抹布。双组元推进剂按照当量混合比混合燃烧的话,温度超过3000度,很明显如此高温的燃气是完全无法驱动任何涡轮泵的,任何合金材料都会融化。而欧洲人在维京发动机上选择用一个泵向燃气发生器中添加冷水以冷却燃气。问题就在于这根水管被堵住了,以至于涡轮泵随即被高温燃气摧毁,导致发动机失去推力。

调查中发现,发动机中的水管需要重新抛光,而负责技术员在水管里垫了个手帕,结果回去过周末后生病了。新的负责人不知道里面有个手帕,导致它就作为一项外来物被封装在这台维京-5C发动机里,直到火箭升空。

结构故障

1. 被火箭整流罩“卡住”的发射

第一批火星探测器采用称为水手C的构架研制,重261千克的探测器将使用宇宙神-阿金纳D火箭发射。计划于1964年11月的地火转移窗口出发奔火。11月5日,宇宙神-阿金纳D火箭将水手3号探测器发射升空。宇宙神火箭级正常分离,阿金纳D组级的贝尔8096发动机点火。按照计划分离后,探测器遥测表明太阳能帆板没有打开。工程师很快意识到整流罩没有打开。在地面发送指令打开整流罩失败后,美国宇航局工程师建议用姿态控制推进器点火把整流罩吹开,但是实际上发射已经失败了——增加的整流罩死重,使得阿金纳D上面级并没有将探测器加速到足以前往火星——实际上仅进入近日点0.983AU、远日点1.311AU的轨道。发射失利。不久后,水手3号探测器由于电量耗尽而“死亡”。

“宇宙神-阿金纳D”发“水手3号”

美国宇航局发起的事故调查表明,出现故障的原因是新型玻璃纤维蜂窝状整流罩缺乏试验,在其穿越大气层时,未放气的蜂窝单体和外界真空产生的压差导致整流罩内壳破裂,使得分离机构卡滞。该局在两个星期内准备了一个新的镁合金整流罩,用于水手4号探测器的发射。11月28日,“水手4号”踏上火星之旅。

2. 助推器“刺客”

神秘的STS-27任务将部署第一颗“长曲棍球”合成孔径雷达成像卫星。其内部代号为“缟玛瑙”(Onyx)于1988年12月2日搭乘阿特兰蒂斯号航天飞机发射升空,这是STS-51-L失败后的第二次航天飞机任务。卫星被部署于近地点437千米、远地点447千米、倾角57°的轨道,编号USA34。

STS-27是险象环生的一次任务,因为天气原因,航天飞机在湿润的肯尼迪航天中心放置了数天。由于缟玛瑙-1卫星为绝密任务,起飞时间直到发射前24小时才敲定。为防止绝密雷达卫星的图像泄露,STS-27任务仅使用最低码率的任务图像传输,部署缟玛瑙-1卫星后,任务控制中心告诉航天飞机机组,可能有碎片击中了热防护系统,于是机组执行了机械臂目视检查热防护系统完好性。他们惊恐地发现,货舱腹部的防热瓦受损严重,而机械臂无法伸到热流冲刷最严重的机翼前缘。他们向任务控制中心报告了受损情况,但堪称史前画质的图片使得任务控制中心的工程师什么都看不清,以至于他们认为损坏并不严重。愤怒的指令长明白航天飞机根本无法撑过再入。但他也无计可施,没有航天飞机来得及救援轨道上的“阿特兰蒂斯号”。他告诉组员享受这几天的飞行吧。

被彻底摧毁的一块机腹隔热瓦

12月6日,航天飞机轨道器执行离轨点火,所幸的是,完全损毁的那片防热瓦下面刚好是比较耐热的一套S波段天线组件,“阿特兰蒂斯号”奇迹般地逃过一劫。

当美国宇航局终于意识到航天飞机受损的严重程度时,他们启动了调查。问题锁定在航天飞机可重复使用固体火箭助推器的头锥上——这是一种氯磺化聚乙烯橡胶。按照计划,材料只需要在发射前存放15天,但在STS-27任务中,其在潮湿的靶场中存放了45天。头锥的压力承受极限迅速下降,一周内就会降低30%~40%。另外该局推断,撞击发生时速度超过2.5马赫,一般的小碎片是根本无法穿过轨道器周围的激波的。碎片可能有1.5~3米那么大。

新的制造程序对航天飞机可重复使用固体火箭助推器的头锥工艺进行了改进,大量减少了头锥碎片及其他可能损坏航天飞机热防护系统的威胁。这些调查和改进发生在STS-107任务前14年。

电气系统故障

1. 接反的控制线路

AS-502任务是土星5号运载火箭第2次飞行试验,有效载荷为LTA-2R月球舱试验件与CSM-020号飞船,用于测试近第二宇宙速度再入。

火箭第一级在起飞149秒分离,随后5台J-2发动机点火工作至319秒,此时2号发动机推力下降了超过三分之一。在起飞412.92秒后,2号J-2发动机舱温度突然升高,发动机随后关机,1秒多后,3号发动机也关机了。但火箭仪器舱内部的控制器只考虑单台发动机失效时的弹道变化,而在2台发动机失效时它并无内置预案。于是其仍然试图恢复设计中的4发工作模式,火箭以错误的“抬头”模式持续加速至576秒,S-II级分离,比预期多燃烧了57.81秒,将火箭送入了严重错误的弹道。

关于S-II级的两个问题——2号发动机点火器的波纹管泄露,使得2号发动机因为燃料被切断而关机。3号发动机关机是因为两台发动机的控制线被错误地接反了,于是将关闭氧化剂阀门的指令送到了3号发动机,导致其提前关机。

2. 错误的参数设置

SES-14通信卫星是一颗重4423千克的全电星,基于全电星-3000EOR平台建造,并且承载美国宇航局的GOLD有效载荷。GOLD是一台远紫外波段的高光谱探测仪,工作于132nm~162nm的波段,具有两台相同并且独立的探测仪,主要用于观测地球的电离层,可以用于研究地磁暴、太阳风暴对电离层的影响以及电离层本身的一些性质。

SES-14通信卫星

Al Yah-3通信卫星重3795千克,基于GEOStar-3平台建造,属于阿联酋亚赫卫星通信公司。卫星使用石川岛播磨重工制BT-4推进器升轨,XR-5霍尔推进器保位。

北京时间2018年1月26日,阿里安5火箭托举着两颗通信卫星升空,目标轨道是近地点250千米、远地点45234千米、倾角3度的一条特殊超同步转移轨道。设计这样一条轨道是因为SES-14是一颗全电星,在此轨道上卫星24小时有阳照,也便于升入周期为24小时的椭圆轨道,从而使电推一直开机升轨,而副星Al Yah3也配置有电推,对其影响不算太大。

但在一级关机分离、二级点火后几秒,火箭遥测信号丢失了。

实际上火箭一起飞方向就错了阿里安公司说是火箭二级问题。当天晚些时候,两颗卫星信号被地面站捕捉到。

卫星进入了近地点232千米、远地点42163千米、倾角20.64°的轨道。SES宣布对SES-14卫星寿命影响不大,但升轨定点需要额外4周。而“Al Yah3”比较倒霉,由于错误的近地点幅角,如果直接强行使用化学推进器提轨的话,寿命至少损失十六年以上——相当于全损。

Al Yah3卫星通过4次化学推力器点火进入一条椭圆轨道。2018年5月9日,Al Yah3卫星终于成功定点。2019年10月,SES-14也成功依赖电推完成定点。

问题在于阿里安5火箭的导航系统。这次任务比较特殊,是一条超同步转移轨道。因此,阿里安5火箭的惯性制导单元中某个参数应该根据特殊飞行方位角需求被制定为70°,但是实际上还是设置为90°,最终导致火箭滚转时往南多转了20度——最后火箭在T+566的时候飞出了遥测范围,也就丢失了信号。

控制系统故障

被忽略的数学符号

1962年7月22日,“宇宙神-阿金纳B”成功从卡纳拉维拉尔角空军基地发射升空,但任务很快失败。宇宙神火箭关机前最后几秒时火箭姿态发散,被任务控制中心引爆,碎片坠落到大西洋中。经过数个月的调查,问题浮现出水面。宇宙神火箭的制导算法基于平均速度计算,而在这个变量录入导航计算机的时候,表示平均的一个小横杠被忽略了,这样雷达测量的瞬时速度就取代了平均速度。这个问题在以前也出现过,但没有影响飞行。因为平时火箭通过天线四次接收地面站测量的速度数据,但这一次接收天线没有锁定地面,于是导航计算机自动切换至箭上的制导算法,并且引入了过校正使得火箭偏离了航线。

评论
传承解惑
大学士级
从长征一号运载火箭到如今的长征八号可回收运载火箭,也只有了解他们走过的这一路艰辛历程,才能深知其意义非凡。
2023-09-03
坦 荡 荡
少傅级
运载火箭作为最复杂的工业产品之一,对各种技术要求极其严格,来不得一丝一毫的疏漏。
2023-09-03
科技助力我们的生活
少傅级
航天发射,重力托举,容不得一分一毫差错,我国航天事业迅猛发展、举世瞩目,彰显大国科技,大国智慧。
2023-09-03