俄“联盟/进步”火箭发射失败分析

李梅

2016年12月1日，俄罗斯“联盟”U火箭发射的“进步MS04”号货运飞船在升空383秒后与地面失去联系，最终坠毁于俄图瓦共和国境内，使国际空间站的货运补给任务遭受巨大挫折。这是俄航天工业整顿和航天发展计划重新调整后发生的较大事故，令人失望和疑惑。

火箭基本性能及事故情况

俄“联盟/进步”火箭性能此次事故中的“联盟“U运载火箭是苏联/俄罗斯的主力火箭系列，苏联以战略导弹为基础发展了“东方”号运载火箭，后续又发展了“联盟”号火箭，其首次发射是在1963年11月。“联盟”火箭最初是一种三级火箭，后被发展为四级，而此次承运的“进步”号飞船为非载人货运飞船，目前主要担负国际空间站货物运输。“联盟”号火箭近地轨道有效载荷6 855千克，长度45.2米，中心直径3米，发射质量30.3吨。其中，“联盟”U火箭为两级结构，全部采用液氧、煤油推进剂，主要用于发射载人/不载人货运飞船或军用照相侦察卫星，曾发射过“上升”号载人飞船、“联盟”号载人飞船、“进步”号货运飞船以及第2代“宇宙”号照相侦察卫星。“联盟”系列火箭从1960年开始研制，总体设计非常成功，而且发射次数非常多，明显的可靠性缺陷均已被发现和修正，是世界上最可靠的火箭系列之一。其中“联盟”U火箭自1973年首飞到2011年期间，发射745次，失败21次，成功率达到97.2%。但是近些年来，包括“联盟”U在内的俄系火箭频频出现发射事故。

事故中的“进步”号飞船是苏/俄向空间站运送物资的主力飞船，自1972年开始向太空运送货物以来，一直有较为良好的安全发射纪录。但近年来，“进步”号飞船发射事故也逐渐增多。2011年8月，1艘“进步M12M”号货运飞船因运载火箭动力系统故障，在升空后发生爆炸。2012年7月、2013年4月和2015年4月，“进步”号飞船在发射升空后均遭遇各种技术故障，但未酿成重大事故。此次是本年度内“进步”号飞船第二次发生故障。

“联盟/进步”火箭事故情况2016年12月1日，莫斯科时间17时52分，俄从哈萨克斯坦境内的拜科努尔航天发射场发射“联盟”U火箭，向太空发射了“进步MS04”号货运飞船。该飞船计划向国际空间站运送包括燃料补给装置、压缩气体、水以及新式太空服等物资在内的2.5吨重货物。但是飞船在升空383秒后因为“非常规情况”与地面失去了信号联系，并从距离地面190千米的高空处开始下坠。飞船在穿过大气层时大部分被烧尽，残骸坠落于俄图瓦共和国的无人区内。此次事故未造成地面人员伤亡。虽然事故并未对国际空间站的功能以及空间站内人员的生活造成影响，但是给空间站补给和未来运行带来不利。俄国家航天集团内部人员称，事故原因可能是“发动机故障或者操作系统失灵”。事故报告可能在2个月内作出。

近年俄火箭发射主要故障情况

计算错误故障此类故障是由于使用公式和数据错误而发生的，通常发生在轨道计算方面。例如，2011年8月19日，由于导航周期设置太短，携带“快车-AM4”卫星的“质子”M火箭在升空后未能完成第五次点火，卫星进入错误轨道而且不能以自身动力进入地球静止轨道，发射任务完全失败。火箭空中失控，结构解体后起火爆炸。此类故障雖然发生在程序设计方面，但是“质子”M火箭已发射数十年，积累了大量数据与经验，而仍能发生此类计算错误，表明俄在航天器运行管理和设计方面存在问题。

生产责任事故这类事故被认为是俄航天事故的主要原因，在苏联解体、俄航天基础工业投资不足、人员素质和责任心大幅下降的情况下，此类故障比例非常高。例如，2011年8月24日，“联盟”U火箭搭载“进步M12M”货运飞船发射升空，325秒以后，火箭与地面失去联系。后来的事故调查证明，事故是由于火箭生产制造时出现了严重的低级质量问题——燃料运输管道堵塞，导致燃气发生器故障而引发的。2012年8月6日，“质子”/“微风”火箭上面级发动机在第三次点火期间仅工作7秒后异常关机，卫星丢失，调查发现上面级燃油管路中的金属节流孔板未按设计规范制造。2007年9月5日，由于“质子”M火箭1、2级间桁架上的电缆损坏，导致火箭级间分离的爆炸螺栓未能点火，1、2级分离失败发生事故。

工艺可靠性问题由于俄航天工业长期投入不足，生产设施老化，导致产品生产工艺标准降低，最终使得火箭部件可靠性大幅下降，这也是俄火箭事故频发的主要原因之一。例如，2011年2月1日，“隆声”号/“微风”KM火箭从普列谢茨克发射场升空，由于控制系统失灵，火箭发动机提前关闭，搭载的俄“地球IK-2”军事卫星进入错误轨道。2012年12月8日，“质子”/“微风”M火箭上面级发动机在第四次点火时提前4分钟关机，卫星未进入预定轨道，最后通过自身变轨才到达预定轨道，调查发现上面级涡轮轴承损坏。

人为失误故障作为历史悠久的航天大国，最难以接受的是人为失误。例如，2010年12月5日，“质子”M/DM03火箭发射起飞十分钟后发生故障，导致3颗“格洛纳斯”导航卫星坠入太平洋。调查发现失败原因是由于计算错误导致火箭多加了1.5吨推进剂。2013年7月2日，俄罗斯“质子”火箭发射3颗卫星再次失败，火箭升空后，角速度传感器发生故障，导致偏航轴失去稳定，火箭坠毁爆炸。调查发现，火箭控制系统的6个角度速度传感器中的3个安装颠倒，这纯属人为事故。这次事故直接导致了俄对航天管理系统的整顿和调整。

设计隐患问题虽然“联盟”和“质子”等系列火箭累计发射次数多，积累了大量经验和数据，但由于不断的设计改进，也导致了诸多问题。例如，2008年3月15日，“质子”/“微风”M火箭上面级发动机燃气发生器与推进剂涡轮泵之间的气体管路破裂，导致主发动机涡轮泵关机，导致发射失败。事故后俄增加了气体管路壁厚。2014年5月16日，俄“质子”/“微风”M火箭上面级与卫星未能与三子级分离，发射失败。调查发现涡轮泵转子材料在高温环境下性能衰减，加之平衡系统在设计上存在缺陷，造成转子失衡，导致发动机失灵。2015年4月28日，“联盟”2火箭将“进步”号飞船送入错误轨道，未能实现与国际空间站对接，导致飞船坠毁。事故原因是火箭末级与飞船连接结构设计问题导致两者工作频率失常，造成火箭末级储箱密封失效。可见，多次发射成功并不能保证所有条件下发射均能成功。

俄“联盟”火箭发射失败分析

企业监管混乱首先是监管不力，没有建立专门的监管体系和严格的监管制度，其次所有的航天企业都被改造成控股公司，难于监管。预算资金使用不合理，“格罗纳斯”导航系统约30%的任务没完成。审计院认为，俄卫星及“进步 M12M”货运飞船发射失败可能是财务破坏的直接后果。联邦航天局存在违规行为，如在发射时使用仅做过有限次测试的新研产品。航天器由上万个元件与部件构成，任何一个器件质量不过关都可能带来灾难性后果。“联盟”号火箭共进行过近800次发射，发射成功率高达约97%，但最成熟的运载火箭也要高度重视生产环节管理，缺少对产品质量和可靠性的监督是航天事故的主因。

管理机制落后苏联时期在航天系统工作的人员的工资比其它行业高出15%～20%，而现在航天行业的工资却缺少吸引力。以赫鲁尼切夫中心为例，该中心的员工平均工资为2.8万卢布，而莫斯科的人均工资超过4万卢布，如此低的工资很难吸引高校毕业生。此外，企业之间缺乏任务和技术竞争意识，也是导致质量事故频发的重要原因。美国航天飞机停飞后，地面与国际空间站之间的载人运输任务全部由俄方飞船承担，俄罗斯一举掌握了“通天”的垄断地位。这一协议的最大受益者是俄罗斯航天业的领军者——能源火箭航天公司。该公司曾乐观地表示“到2017年之前我们没有竞争对手”。由于没有竞争机制，导致管理模式落后，企业严重缺乏活力。

待遇下降导致责任意识不高“质子”M火箭的2次发射故障都可以归结为人为因素。“质子”M/DM-03由于燃料加注错误造成火箭发射失败。DM-03上面级是在DM3的基础上改进的，推进剂贮箱容积比DM3增大约25%，而DM-03采用了新的推进剂液面传感器，但又按照旧的工作流程加注，致使推进剂最终多加注了1.5吨。推进剂加注过量必然导致卫星不能进入正确轨道。“质子”M/“微风”M又是因程序编写错误导致卫星入軌失败。针对这种情况，除了要提高人员的责任意识，还必须建立起严格的质量管理规范，加强发射前评审。

技术人才结构断层据不完全统计，仅1990～1994年，俄罗斯航天业总人数减少了35%，技术专家流失超过了50%。虽然俄政府采取了一系列措施吸引人才，不少青年科技人员涌入航天业，但萎靡的经济只能支撑起比原来少得多的项目，基本失去大规模培养新人、维持高水平设计制造质量控制的能力。

投入不足导致基础设施老化近年俄对航天领域的拨款大幅度增加，但与需求仍有很大差距，加之资金使用监管不到位，使得航天工业基础明显滑坡。长期以来缺少相应的电子元器件基地，许多制造火箭零配件的工厂已不存在，供应链条断裂。俄已把苏联时期建立起来的科学储备使用完，国内航天工业没能力研制大部分航天仪器设备，俄航天器70%～80%的零部件都靠进口。这导致俄运载火箭多年不更新，严重老化。

实际早在2011年之后，俄就对航天系统进行了大力整顿，但没起到很好的效果。此次“联盟”U事故只是俄航天事故频发整体问题的一次表现。