一次性运载火箭飞行失利量化分析研究

郑立伟，秦 曈，何 巍，龙乐豪



一次性运载火箭飞行失利量化分析研究

郑立伟1，秦 曈1，何 巍1，龙乐豪2

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

对1957~2014年全球29个一次性运载火箭系列的发射情况进行统计，从构型、故障子级、首飞、级数、规模、推进剂种类、故障所属分系统、载人、故障原因等多个维度对国内外运载火箭发射失利情况进行了故障统计分析，在量化分析数据的基础上，提出确保我国运载火箭高任务成功率的发展建议。

一次性运载火箭；飞行失利；量化分析

0 引 言

自1957年10月4日苏联卫星号运载火箭将第1颗人造地球卫星送入太空以来，世界各国争先发展运载火箭技术，先后研制了几十个系列上百种运载火箭，为人类航天活动的开展提供了重要保障。

由于各国运载火箭技术发展水平和质量管理体制不同，不同运载火箭的技术方案存在差异；不同历史背景下运载火箭研制特点等因素也导致了各国的运载火箭技术发展命运的差异，有的成为运载火箭中的经典，如土星系列实现了100%的发射成功率，联盟号系列火箭成为发射次数最多的火箭等，而有的火箭则以悲剧收场，如苏联N-1火箭4次发射全部失败。

文献[1]针对2007年以前国外月球探测任务失利情况进行分析，量化给出运载火箭、探测器以及测控网所占故障比例，并重点对运载火箭的故障系统进行对比分析；文献[2]将不同年代研制的运载火箭进行划代，并对2009年前大、中、小型火箭的故障情况进行研究。本文对1957年第1枚运载火箭发射至2014年12月31日7个运载火箭研制国、29个运载火箭系列全部5 133次发射中的飞行失利情况进行统计分析，从更多维度开展故障分析研究工作。

1 故障定义[3]

a）Ⅰ类：灾难性失效。导致运载火箭系统丧失；系统不可恢复的失效，包括所有任务失效（如运载火箭发射过程中爆炸）；或导致人员伤亡的失效。

b）Ⅱ类：致命性失效。将使任务丧失；任务产品不可恢复的失效（如运载火箭未将有效载荷送入预定轨道，入轨偏差大等）；或导致人员、物资损伤的失效。

2 飞行失利故障分析

2.1 按系列构型统计分析

表1为按系列构型[4]统计的发射成功率对比情况。

表1 运载火箭系列构型成功率对比

美国土星系列火箭执行的28次发射任务均获成功，俄罗斯安加拉系列火箭共执行2次验证性发射任务也均取得成功，印度极地轨道卫星运载火箭系列和俄罗斯的联盟号系列火箭以96.3%的成功率紧随其后，长征系列火箭和阿里安系列火箭分别位居第7和第8的位置。

2.2 按故障子级统计分析

表2为故障发生在火箭不同子级的统计情况。需要说明的是，由于部分发射失利故障信息不全，对于无法查得故障所属子级的以“不详”表述（下同）。

表2 按故障所属子级统计情况

按故障出现在火箭的不同子级进行划分，火箭末级或上面级是出现故障的主要子级，第1级故障也是运载火箭发射失利的多发地带。

2.3 按首飞故障统计分析

经统计，运载火箭新构型首次飞行试验失利的为34次，占全部发射失利总数的8%，即意味着几乎每10次发射失利中即有1次为首飞构型发射失利。

按年度划分，20世纪60～90年代是首飞构型发射失利的高发期，特别是在20世纪60年代，平均每年会出现1次首飞构型的发射失利，这主要是由于在20世纪运载火箭发展初期，众多未经地面试验充分考核的新构型被投入发射，同时由于工艺不成熟、设计存在缺陷等原因，导致首飞构型发射屡遭失利。

图1 首飞构型发射失利年代对比

2.4 按故障火箭级数统计分析

表3为按故障火箭构型的统计情况。

表3 按故障火箭构型级数统计情况

经统计，因两级构型火箭故障导致任务失利的占失利总数的比例最大为46%，四级构型故障占21%，三级构型火箭所占比例在30%。上述数据表明，并不是火箭级数越多，出现故障的概率越大。

2.5 按故障火箭规模统计分析

对29个系列火箭按照重型、大型、中型和小型运载火箭进行划分[5]，不同故障火箭规模的对比故障情况见表4。

表4 按故障火箭规模统计情况

对于不同规模的火箭，从失利次数角度分析，中型火箭失利次数最多，为197次；重型火箭失利次数最少。从不同规模火箭失利比例情况对比，小型运载火箭失利比例最高，为12%；大、中型运载火箭失利比例次之，分别占10%和6%；重型运载火箭失利比例最小。

上述数据未考虑苏联N-1火箭4次发射失利[6]，如果考虑N-1火箭情况，重型运载火箭失利比例为24%。之所以未统计N-1火箭的4次失败，是因为当年在美、苏竞争中苏联过分强调政治因素，忽视了科学规律的必然结果，属于非正常现象，因此不应作为统计子样。

2.6 按故障火箭推进剂种类统计分析

以固体、常规液体和低温液体3种推进剂为基本单元，29个运载火箭系列所用推进剂的种类可分为7种类型（组合）。按照故障火箭所用推进剂种类的统计情况见表5。

表5 按故障火箭推进剂种类进行统计

由表5可见，对于选用单一推进剂的运载火箭，固体推进剂的任务成功率最低，常规液体推进剂的任务成功率最高；对于选用混合推进剂的运载火箭，常规+低温推进剂的任务成功率最低，固体+常规推进剂的任务成功率最高。

2.7 按故障所属分系统统计分析

运载火箭系统可划分为：动力系统、控制系统、分离系统、箭体结构系统、测量系统等。按照故障所属火箭不同系统的统计情况见表6。需要说明的是，经归类划分不属于以上系统的“其他”表述，如地面错发指令，对环境认识不足等均划分为此类。

表6 按故障所属分系统进行统计

按故障所属系统统计，出现故障导致任务失败的主要系统为动力系统和控制系统，分别占任务失利总数的38.1%和17.2%。

2.8 按载人运载火箭与非载人运载火箭统计分析

统计发现，1957~2014年全球共有3个国家进行了载人运载火箭发射，累计发射488次（不含苏联N-1的4次发射和航天飞机135次发射[7]，下同)，其中载人运载火箭发射最多的国家为苏联/俄罗斯，共432次，占全部发射的87%；其次为美国的56次，占11%；中国共进行11次载人运载火箭发射，占2%。

从以上载人运载火箭发射的成功率情况来看，载人运载火箭的任务成功率均大幅高于非载人运载火箭。除美国航天飞机外，未出现发射过程中出现故障导致宇航员死亡的情况，具体对比情况见表7。

载人运载火箭的任务成功率高于非载人运载火箭，这与载人运载火箭的高可靠性设计直接相关，冗余设计、容错设计等一系列提高可靠性的设计手段均被应用于载人运载火箭；此外，载人运载火箭为了提高宇航员的安全性及适应性，开展了大量的地面试验以及飞行试验，对载人运载火箭的可靠性进行了充分验证。

表7 载人与非载人运载火箭故障数量对比

2.9 按故障原因统计分析

按照故障产生的原因可分为6种，包括设计缺陷、工艺、环境、地面操作、元器件与材料以及其他。不同故障原因所占的比例情况见图2。

图2 按故障原因统计对比

按照故障原因统计，因元器件和材料原因导致任务失利的比例最大，占16%；设计缺陷和工艺所占比例分别为12%和9%；另有53%原因不详。

3 结 论

提高火箭发射成功率一直是航天界矢志不渝的目标。然而火箭发射事故种类繁多，造成故障的原因千差万别。本文通过对半个多世纪以来世界范围内一次性运载火箭飞行失利的量化研究，分析其特点和规律，以期吸取历史教训，实行更为严格的质量控制措施，降低发生任务失利的可能性。

a）制定关键系统故障预防对策，提高火箭可靠性。

动力系统和控制系统是运载火箭中的核心系统，也是失败率发生最高的两大分系统。加强对动力系统和控制系统的质量控制，制定防范措施，对于提高火箭飞行可靠性至关重要。具体措施包括：1）充分认识两大系统设计、仿真、生产、试验体系中的关键环节，严格质量标准体系，加强过程控制，加强量化控制；2）高度重视技术状态控制，做好技术状态的闭环管理，不仅要掌握所有的状态变化环节，还应系统全面地开展状态变化影响分析；3）关注重点系统的技术状态、产品状态以及天地一致性差异，在关键环节做好检查确认，确保动力和控制系统在火箭飞行过程中工作正常；4）高度重视地面试验验证，通过大量地面试验验证保障航天发射高成功率。

b）重视新构型火箭首飞前验证，降低首飞风险。

统计发现，新构型火箭前3次飞行的失败风险较大，如阿里安5G的前2次发射全部失败，阿里安5ECA、德尔它4H、天顶号3SL的前3次发射中也各有1次失败。分析原因，这些新构型火箭大多采用了新的方案和技术，如德尔它4H火箭捆绑2枚公用芯级作为液体助推器，较以往火箭结构变化较大；阿里安5ECA的失利则是由于新型发动机火神2的故障所致。由此可见，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，并增加验证试验次数和复检工作。

c）关注低温运载火箭研制和质量控制。

统计发现，采用低温推进剂的运载火箭故障比例高于常规推进剂火箭。为了提高低温火箭任务成功率，应采用更加严谨的质量控制措施。对于在役低温运载火箭，对技术方案持续改进，从根本上杜绝Ⅰ、Ⅱ类单点故障模式，提高系统可靠性；完善火箭出厂前质量控制措施，提高系统测试覆盖性；深化、细化、量化技术指标，对标梳理指标满足情况，提前发现可能引起任务成败的质量隐患。对于新研制的新构型低温火箭，在方案设计过程中，要采用冗余设计、裕度设计和容错设计等设计手段，高度重视地面试验对技术方案正确性的验证工作，制定合理的研制周期。

[1] 丁文华. 国外月球探测运载火箭故障分析[J]. 国际太空, 2007(9): 26-34.

[2] Tomei E J, Chang I S. 51 years of space launches and failures[C]. 60th International Astronautical Congress, 2009.

[3] 国防科工委颁布国家军用标准和行业标准[J]. 航天标准化, 2005(1): 43-47.

[4] 鲁宇, 等.世界航天运载器大全（第二版）[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2007.

[5] 秦旭东, 容易, 王小军, 龙乐豪. 基于划代研究的中国运载火箭未来发展趋势分析[J]. 导弹与航天运载技术, 2014(1): 1-4.

[6] 佟艳春. 美、苏/俄载人登月运载火箭特点分析[J]. 国际太空, 2009(5): 23-27.

[7] 盘点航天飞机的风雨30年[J]. 飞行器测控学报, 2011(4): 13, 42, 47.

The Quantification Analysis of Expendable Launch Vehicle Failures

Zheng Li-wei1, Qin Tong1, He Wei1, Long Le-hao2

(1. Beijing Institute of Aerospace Systems Engineerin, Beijing, 100076; 2. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, China, 100076)

The failures of world’s major 29 serous of launch vehicles, from 1957 to 2014, are reviewed. This study takes many aspects into consideration, such as types, failure stage, maiden fights, stage number, capabilities, propellant categories, failure subsystem, manned vehicle and failure causes, to analyze the causes of failures of launch vehicles all over the world. Based on data quantification analysis, pertinent suggestions are provided for keeping the high mission success rate of China Long March series launch vehicles.

Expendable launch vehicle; Flight failure; Quantification analysis

1004-7182(2016)02-0055-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160212

V57

A

2015-09-30；

2015-11-02

郑立伟（1980-），男，高级工程师，主要从事运载火箭总体设计