猎鹰－9火箭故障分析

龙雪丹 曲晶 姜舒展（ 北京航天长征科技信息研究所， 6886部队）

美国太空探索技术公司（SpaceX）利用其主要产品猎鹰－9（Falcon－9）火箭在国际商业航天发射领域具备了较强的竞争力。该型火箭自投入使用以来已完成60次发射，获得58次成功，以96.7%的完全成功率，得到业界认可，但期间也遭遇过两次失利及一次部分成功。本文回顾了猎鹰－9火箭的历次故障，并详细介绍了美国国家航空航天局（NASA）对2015年发射故障的调查情况。

1 历次故障情况

猎鹰－9火箭自投入使用以来，至2018年8月末共执行60次发射，其中58次完全成功，1次失败，1次部分成功，另外还有一次在射前静电火过程中发生爆炸事件，为SpaceX敲响了警钟，商业发射的可靠性问题不容忽视。

一子级故障致次要任务未入轨

2012年10月7日，SpaceX公司的猎鹰－9火箭携带“龙”飞船和次要载荷——“第二代轨道通信卫星星座”（OG2）卫星在卡纳维拉尔角空军基地发射升空，首次正式执行国际空间站商业货运任务。按计划，火箭应在释放“龙”飞船后经二子级第二次点火将OG2卫星送入预定轨道，但在火箭飞行约79s后，猎鹰－9火箭1台一子级发动机突然失压并关机，所幸故障发动机未发生爆炸，并能持续收到其数据，其他8台发动机工作正常。因此，国际空间站任务未受影响。但由于火箭一子级发生故障，因此需延长火箭剩余发动机工作时间来保证完成空间站补给任务，最终造成火箭二子级二次点火燃料余量未达到NASA安全规定，SpaceX公司被迫放弃火箭二子级二次点火，次要载荷OG2卫星被迫置于错误轨道上，最终坠落地球。

事故原因现已查明，但限于NASA保密协议，SpaceX公司未公开故障原因。猎鹰－9火箭在飞行中遭遇一子级1台发动机失效的考验，但并未影响主要任务，证明猎鹰－9火箭系统的冗余设计和检测调整系统是有效可行的。

使用外包产品程序不严格导致CRS－7发射失利

2015年6月28日， SpaceX的猎鹰－9－1.1火箭携带“龙”飞船及货物升空，这是SpaceX公司的第7次国际空间站商业补给服务（CRS－7）,将要为国际空间站送去1952kg物资。然而发射当天，火箭在起飞2min19s后，头部开始出现浓雾并逐渐包围箭体，随后开始有碎片迸出，“龙”飞船脱离火箭。发射后2min27s，火箭和飞船随后剧烈爆炸，此时地面控制中心仍持续接收到来自“龙”飞船的遥测信号，直至其坠落至地平线以下。

CRS-7任务发生爆炸

2015年11月，SpaceX调查组向美国联邦航空管理局（FAA）提交了故障调查最终报告。报告指出：在一子级工作期间，火箭二子级液氧贮箱中的复合材料缠绕压力容器（COPV）支架失效，引起氦气泄漏，最终导致液氧贮箱因压力过大而破裂。该支架是由一家外部供应商提供的。

2018年3月12日，NASA独立评估小组公布了事故的最终调查结论。 调查报告指出，SpaceX并未选择采用标准更为严格的航空航天级部件，只选择了工业级部件，并且在没有对其进行充分的筛选或测试的情况下进行使用，没有考虑制造商在使用其工业级部件时的4∶1安全系数的建议，并且没有根据预估的飞行条件对部件进行适当的建模或适当的载荷测试。该设计错误与猎鹰－9火箭CRS－7任务发射失败直接相关，最终酿成事故。

射前地面点火试验事故造成星箭俱毁

2016年9月1日，SpaceX公司按照发射流程，在卡纳维拉尔角空军基地的第40发射工位（SLC－40）对猎鹰－9火箭进行整箭地面静态点火试验。为预计在9月3日进行的以色列AMOS－3卫星发射任务做准备。点火前8min，火箭在加注过程中出现意外，从火箭二子级开始起火爆炸，星箭俱毁。

经调查，事故原因是SpaceX改变了液氧贮箱内增压氦气瓶的充气流程，采用了温度更低的氦气。氦气瓶为复合材料缠绕压力容器，内胆材料为铝，外层包裹碳纤维复合材料，浸泡在－207℃的超低温液氧。事故中采用的氦气充气流程会使超低温液氧渗入碳纤维复合材料层与内胆之间并固化，引起碳纤维层与氧气发生反应，导致氦气瓶破裂爆炸。事故后，SpaceX公司将氦气瓶充气流程恢复至以往的技术状态，提高氦气温度，并计划改进气瓶设计防止液氧渗入。

2 对CRS－7任务故障调查分析

两个小组分别展开调查

在2015年故障发生后，根据美国联邦航空管理局认证需求、NASA发射服务项目（LSP）合同要求和NASA相关政策要求，由SpaceX主导的故障调查委员小组（SpaceX AIT）和NASA独立评估小组（NASA IRT）分别对事故进行了调查。

2015年11月，SpaceX调查组向美国联邦航空管理局提交了故障调查最终报告。报告指出：在一子级工作期间，火箭二子级液氧贮箱中的氦气瓶支架失效，引起氦气泄漏，最终导致液氧贮箱因压力过大而破裂。该支架是由一家外部供应商提供的。SpaceX公司因此对支架的设计方案进行了改进，并将支架材料更换为镍基合金。

另一方面，NASA独立评估小组对CRS－7任务中发生的失败事件进行独立调查。其主要职责包括：①独立评估导致CRS－7任务失败的事件（即，制定独立的事件时间表，独立审查故障树，对遥测数据进行独立评估）；②确保所提出的纠正措施得到落实；③验证SpaceX AIT的调查工作；④通知NASA的风险状态，以支持SpaceX重返发射活动；⑤确定并提出如何研发、运行和获取更可靠系统的建议。

NASA独立评估小组的调查

此次事故的异常事件发生在800～900ms的时间范围内，因此，为了确定决定性事件的时序，NASA独立评估小组对CRS－7任务的遥测数据进行了独立分析，并独立制定了毫秒级事件的详细时间表，独立分析了猎鹰－9系统，并评估了SpaceX的故障树。除了猎鹰－9的二子级以外，评估小组还对SpaceX测试的所有可能引发关机的故障树模块（即一子级、推进系统、电气、“龙”飞船系统等）进行了独立分析、评估和审查。NASA独立评估小组对猎鹰－9系统的评估完全独立于SpaceX，对整个飞行过程中各个系统的遥测数据做出独立的判断，并通过多个工程审查委员会来审查猎鹰－9系统和数据。最后，NASA独立评估小组得出结论，除了二子级故障树模块之外的所有模块都可能造成关机，基于对发射前和发射过程中收集的猎鹰－9遥测数据的详细评估和分析，以及对捕获发射和失败的摄影和视频媒体的审查，确定猎鹰－9故障的直接（或近似）原因是二子级氧箱的破裂。NASA独立评估小组还对SpaceX调查组开发和研究的“主要失效情景”（即：二子级氧箱内的COPV失去固定，并击中氧箱箱底圆顶导致其破裂）进行了独立的详细审查。

此外，经过对其他可能发生的失效模式进行研究，评估小组最终确定两种可能失效模式，其中每一种都可能促成COPV失去固定或与其同时发生。对这两种故障模式描述如下：液氧输送管路的隧道管可能发生泄漏，该泄漏从二子级的液氧箱向下通过二子级煤油箱并最终进入二子级发动机。

故障模式1：假设煤油（RP－1）泄漏到液氧输送管路外部的隧道管，使液氧升温，从而导致液氧喷出。然而，通过热分析很快确定了（泄漏到液氧输送管路外部隧道管的）RP－1的热量不足以影响到液氧输送管路中的液氧温度。后经过建模和分析发现，在RP－1未泄漏至液氧输送管路外部的隧道管之前，液氧已从输送管路泄漏至隧道管。这样，环绕在液氧输送管路周围的RP－1就能够传递足够的热量使液氧气化，并最终溢出。这成为了故障模式2。评估小组迅速利用马歇尔太空飞行中心的资源，建立了一个实验室，并进行了测试，以验证该故障模式中的热传递的假设。经过为期两周的测试后，评估小组能够确定故障模式2中有更多的热量传递，但仍不足以在800～900ms的时间范围内发起喷射事件。

NASA独立评估小组最终验证了大部分在800～900ms失效时间段内得到的115个遥测数据（但仍有9个数据没有被验证），得出的最终结论为：

1）二子级氧箱破裂的直接原因是二子级氧箱内的 COPV脱离固定。

2）引发的原因是支撑COPV的轴向支撑失效，继而COPV脱离固定，最终导致二子级氧箱内的气态氦（GHe）输送管路系统破裂。

3）COPV轴向支撑支柱的螺纹铸造不锈钢吊环螺栓（杆端）在上升载荷作用下断裂，从而使COPV从其支座脱离，由于浮力而加速，从而以巨大的力量冲击氧箱箱底。

4）值得注意的是，NASA独立评估小组与SpaceX调查组的调查结果显示的直接原因是一致的，不同之处在于事故的根本原因。SpaceX公司在其调查报告中将“材料缺陷”标识为杆端断裂的“最可能”原因，然而，NASA独立评估小组并不认为“材料缺陷”是“最可能”的原因，而是将“杆端制造损坏”、“杆端支柱错误安装”、“杆端附带损伤”和“轴向撑杆其他部位断裂”均视为导致COPV失去支撑的可疑因素。最后NASA独立评估小组认定：此次失败是由于设计错误导致的，即：SpaceX公司在关键部件上选择使用工业级（不同于航天级）17-4 PH SS（沉淀硬化不锈钢）铸件（杆端）。并在未对工业级部件进行充分的筛选或测试的情况下进行使用，未考虑制造商对使用其工业级部件时的4∶1安全系数的建议，并且未根据预估的飞行条件对部件进行适当的建模或适当的载荷测试。这种设计错误与猎鹰－9火箭CRS－7发射失败直接相关。

液氧箱中的杆端、支柱和氢气瓶

5）虽然NASA LSP没有对SpaceX CRS计划进行评估，但由于LSP已向SpaceX授出“高价值”NASA有效载荷的发射服务合同，并且SpaceX公司近期正在进行NASA“二类载荷”发射认证活动,因此 NASA LSP对猎鹰－9－1.1火箭已经进行了充分调研。

6）纠正措施还解决了SpaceX和NASA LSP调查过程中发现的其他问题。

7）该结论同时适用于猎鹰－9－1.2火箭。

最终技术结论和建议

结合故障调查的最后结果,NASA独立评估小组给出了具体的技术结论和建议。如果全面实施，能够防止类似的故障再次发生，并提高猎鹰－9运载火箭的可操作性。

NASA独立评估小组识别的技术结论

NASA独立评估小组识别的技术建议

3 小结

SpaceX公司成立不过短短的16年时间，就已在世界范围内掀起了波澜和震动，其主要竞争力来自于其金牌产品——猎鹰－9火箭。若该公司想在世界航天发射市场上继续占据优势，赢得用户的信赖，就必须保持较高的完全成功率，证明其高可靠性。

对其历次故障情况回顾能够发现，猎鹰－9火箭系统的冗余设计和检测调整系统整体来讲是有效可行的。造成失利的原因往往是由于新技术、新材料的应用以及对选用部件的质量控制没有做到位。

从2015年CRS－7故障调查过程可以看出，NASA在对商业发射事故调查中遵循了美国联邦航空管理局认证需求、NASA发射服务项目合同要求和NASA相关政策要求，由SpaceX主导的故障调查委员小组和NASA独立评估小组分别对事故进行调查，最终给出具有可行性的改进措施，从而保证事故调查的全面性、准确性和客观性。