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从失败到复飞,火箭如何涅槃重生?

中国宇航学会
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2020年8月29日,美联合发射联盟的德尔它4重型火箭在执行NROL-44发射任务时,火箭点火后上演了一场惊心动魄的“台上烈焰焚身,火箭岿然不动”的戏码。火箭本质上是大量危险的高能推进剂的受控“爆炸”。一旦这种“爆炸”不受控——那就真成了爆炸了,也就是我们常说的发射失败或异常。但现代运载火箭作为一种多系统耦合的复杂运输工具,问题可谓常见,失败亦是难免。面对不同阶段的异常或者失败时,不同火箭的做法又有何不同呢?

德尔它4H火箭点火后,火箭岿然不动

点火之后突然关机怎么办?

2020年8月29日,德尔塔4重型火箭芯一级和助推器的3台RS-68氢氧发动机在起飞前3秒突发故障,发动机正常排出的氢气上升后被点燃,但由于火箭未能离架,导致氢火迅速包围了火箭,火箭控制系统自动进行了紧急关机,发射被迫中止。好在火箭整流罩内的载荷正常,此次载荷是代号为“导师”的侦察卫星最新型号。该系列卫星与著名的“锁眼”齐名,素以神秘和昂贵著称,据称卫星造价贵过等重黄金。因此发射方对这类载荷一向小心翼翼,如履薄冰,不敢有半点差池。

巧合的是,就在2019年1月的范登堡发射场,联合发射联盟的同一款火箭。在为同一个客户发射新型锁眼卫星时,也曾上演过相同的“紧急关机”戏码。好在当时载荷也是安然无恙,几天之后故障查明是传感器导致,排除后火箭正常发射。

其实,发射前紧急关机的故障并不少见,多由发动机点火过程中发现异常信号而由系统自动触发。比如猎鹰9火箭2016年2月第四次尝试发射SES-9卫星时,发动机点火系统发现一台发动机推力异常下降,火箭立即自动中止发射。这得益于牵制释放装置,火箭被牢牢“拽住”,并未离开发射台。不过身为液氧煤油燃料火箭的猎鹰9火箭缺少了氢氧燃料火箭“烈焰焚身”的效果,只是在自燃点火剂发出一阵绿光后就熄火了。事后调查称,故障是因当时过冷推进剂长期静置导致温度升高,而贮箱内的增压用氦气借此混入推进剂并被吸入涡轮泵导致推力异常。

航天史上类似的情况可谓屡见不鲜,但只要火箭没有离开发射架,大多是有补救机会的。

升空之后如何自救?

那火箭升空后出现问题怎么办呢?由于火箭脱离地面支持,基本上只能靠“自救”,常见的补救方式有两种。

第一种,若火箭本身设计有动力冗余能力,一旦有发动机发生异常,火箭可以自动关闭故障发动机,并联的其他发动机可以接过异常发动机的工作,通过火箭控制和导航系统的重新迭代规划,适当延长其余发动机的工作时间,以此拯救发射。历史上,“土星五号”、航天飞机和“猎鹰9”都曾实际运用过动力冗余来拯救发射,所以这种设计侧面拔高了火箭的可靠性。

第二种补救方式实质上也是延长发动机的工作时间,只不过“辛苦”的是故障发动机的下一级。比如2016年3月,在天鹅座OA-6任务发射过程中,宇宙神V火箭一级的俄制RD-180发动机突然提前5秒关机,随后火箭二级的RL-10发动机利用贮箱内的预留推进剂延长燃烧时间长达1分钟,最终仍将飞船送入轨道。

惊险升空的天鹅座飞船正在靠近国际空间站

这次提前关机看似轻描淡写,但其实凶险异常,因为RD-180只要再提前关机一秒,发射就会失败,这时火箭二级就算用光预留推进剂也是“回天乏术”。而对不具备动力冗余功能的运载火箭而言,动力系统在飞行段出现故障是致命的,很容易导致不可逆的发射失败。

那么,一旦运载火箭出现了发射失败,之后自然要痛定思痛,从头再来。比如9月2日刚刚完成恢复发射的织女星火箭,一次将13个国家21家客户的53颗卫星送入轨道,在顺利完成自己“重生之旅”的同时也打破了欧洲的一箭多星纪录。

织女星火箭恢复发射

该火箭之前曾在2019年7月的发射中出现事故,之后便陷入沉寂。事故调查认为,火箭固体装药燃烧产生的高温燃气冲击了其二级的结构,致使二级碳纤维结构被烧穿,最终导致火箭在飞行中解体。而根本原因是在制造火箭时,其二级热防护层厚度差了约1毫米,并逃过了质控检查,最终导致此次事故。

发射失败如何东山再起?

发射失败后,研发人员一般会针对整个火箭的分系统进行系统的复盘分析,在解决问题的同时,有时也会深挖痛点,对火箭进行改进提升。因此发射失败通常也是运载火箭更新、换代、挖潜的绝佳契机。

例如,与织女星火箭同为微小卫星发射领域主力的电子号火箭,也完成了其发射失败后的恢复发射。而之前该火箭在一次发射中,由于一处电气连接失效,导致电动泵断电,发动机提前关机导致其发射失败。

电子号火箭恢复发射

通过举一反三,火箭实验室公司还顺手对该火箭上驱动发动机电动泵用的电池组进行了减重设计,使新火箭的近地轨道运力得到了提升。

无独有偶,太空探索技术公司也曾借用“归零”的机会改进火箭。2015年7月,在执行CRS-7国际空间站货运任务的过程中,因猎鹰9号火箭二级贮箱COPV支撑杆件不合格,火箭凌空解体,箭船俱毁。紧接着当年12月,太空探索技术公司一恢复发射就直接推出了全新的“猎鹰9”全推力版本。

这次升级可谓“大刀阔斧”,公司不但采用了过冷推进剂,还加长了火箭二级贮箱,换用了更长更坚固的碳纤维级间段,增加了一二级分离用的液压推杆,还改良发动机舱,升级回收着陆腿,最后还提高了梅林1D发动机的推力,最终使火箭近地轨道运力提升高达33%。

不过要说起失败后大改的典型,可能要数心宿二火箭了,比起“猎鹰9”的升级改造,这型火箭直接选择更换发动机。

2014年10月,心宿二火箭执行天鹅座发射任务时,升空仅15秒,火箭一级的AJ-26发动机突然爆炸。事故分析推测是碎屑或制造缺陷导致发动机泵轴承损坏,进而引发连锁反应导致爆炸。而火箭一级的两台AJ-26发动机实际上就是40多年前苏联时期库存的NK-33发动机,于上世纪90年代购入美国后翻修而来,因此价格极其低廉。于是公司不得不忍痛弃用该型发动机,改用RD-181发动机,最终于2016年10月恢复发射。

心宿二火箭爆炸场景

评论
演绎无限精彩!
大学士级
在探索太空的道路上,所有付出都应该被牢记,所有失败都值得被尊敬。正是因为有火箭从失败到复飞涅槃重生的过程,才有今天航天领域的不断突破!
2024-04-04
追梦人C·hui
太师级
面对不同阶段的异常或者失败挑战时,科技人员攻坚克难,从头再来,开启“重生之旅”,力求让火箭飞行圆满成功!
2024-04-04
科普科普知识的摇篮!
太师级
火箭发射失败后,研发人员通过举一反三的研究,一般会针对整个火箭的分系统进行系统的复盘分析,在解决问题的同时,有时也会深挖痛点,对火箭进行改进提升。它为运载火箭更新、换代、挖潜的绝佳契机。
2024-04-04