俄罗斯联盟－FG火箭发射载人飞船失利分析

张绿云（北京航天长征科技信息研究所）

北京时间2018年10月11日16：40，联盟－FG（Soyuz－FG）运载火箭搭载联盟 MS－10载人飞船，从位于哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场发射升空，火箭起飞后约2min发生故障，紧急启动应急逃逸系统，整流罩携带飞船轨道舱和返回舱脱离火箭，随后返回舱开启降落伞，航天员安全着陆，但发射任务失败。本次任务是联盟－FG火箭自使用以来的首次发射事故，也是世界载人航天史上逃逸塔分离之后首次使用整流罩分离发动机挽救了航天员的生命。

1 发射情况

北京时间2018年10月11日，俄罗斯联盟－FG火箭搭载联盟 MS－10载人飞船从拜科努尔航天发射场点火起飞。飞船机组乘员分别为俄罗斯航天员阿列克谢·奥夫齐宁和美国航天员尼克·黑格，奥夫齐宁是第二次执行航天任务，而黑格则是首次升空。按计划，飞船拟采用快速对接模式，于发射后6h与“国际空间站”对接，2名航天员进入空间站后将使空间站人数增加至5人。

在联盟－FG火箭起飞几分钟后，飞船机组人员报告火箭“失效”，称感觉到失重，随后启动了应急逃逸系统，以弹道式再入方式返回地球。发射后约40min，美国国家航空航天局（NASA）称，搜救人员已在赶往哈萨克斯坦中部城市杰兹卡兹甘以东约20km的预计落区。此外，俄军方投入4架米－8直升机从哈萨克斯坦境内的机场起飞进行搜救。火箭起飞后90min，在搜救人员的帮助下，2名航天员成功出舱。据报道，2名航天员在着陆过程中经受了6gn～7gn的过载。

原计划的联盟 MS－10飞船发射时序

“联盟”火箭发射故障

航天员成功着陆

“联盟”载人飞船降落

安全返回后的航天员

据报道，故障发生在1A飞行阶段，即逃逸塔分离后至整流罩分离前期间。安装在火箭一子级上的角速度传感器探测到一子级姿态误差超过7°，之后发出故障指令。乘员驾驶舱控制台面收到故障指令之后，安装在整流罩上的2个（共4个）固体推进器启动，另外2个推进器在0.32s后启动。在火箭飞行至122s、飞行高度为50km处，飞船与箭体脱离。在火箭飞行至160s时，返回舱与轨道舱分离，进入自由落体状态。在任务控制人员的指示下，机组乘员启动弹道降落模式，大约30min之后，返回舱成功着陆。俄罗斯航天国家集团（Roskosmos）发推特称：“应急逃逸系统发挥了作用，飞船得以在哈萨克斯坦境内降落，……，机组人员还活着。”俄罗斯总统发言人佩斯科夫也对记者说：“谢天谢地，航天员还活着。”NASA局长布莱斯登坦也就此事发表了一份声明，强调机组安全的重要性，称2名航天员状况良好，并称事故原因会得到彻底调查。

2 故障原因分析及事件影响

故障原因分析

11月1日，联盟－FG火箭发射故障调查委员会主席斯科罗波加托夫在莫斯科郊外的俄罗斯任务控制中心举办的一场新闻发布会上称，此次发射失败系因用于火箭助推级和一子级分离的一台传感器有部件在拜科努尔航天发射场组装过程中受损所致。分离传感器变形致使一个助推器的喷嘴盖未能在火箭起飞后118s打开，导致该助推器未能与一子级正常分离，其头部与一子级燃料箱部位相撞，火箭姿态失控，从而引发飞船应急着陆。

事件影响

本次发射是俄罗斯35年来发射载人飞船时首次出现发射故障，对俄罗斯载人航天安排造成了一定的影响。

俄罗斯计划在本次联盟 MS－10飞船发射之后，在2018年12月20日发联盟 MS－11载人飞船，确保“国际空间站”的正常运行。而因为本次发射失败，2名航天员未成功进入“国际空间站”，而空间站现有的3名航天员因2017年6月6日发射的联盟MS－09飞船在轨寿命只有200天，需在12月底前返回地面。为在保证火箭质量的前提下确保“国际空间站”不出现无人职守的局面，俄罗斯载人航天项目进行了重新安排。根据俄罗斯航天国家集团10月17日公布的消息，俄航计划10月25日、11月3日和11月中旬，进行2次联盟－2火箭的卫星发射和1次联盟－FG火箭的进步 MS－10货运飞船发射，之后在11月28日－12月3日，重新采用联盟－FG火箭发射联盟 MS－11载人飞船。目前，俄罗斯已经按计划在10月25日和11月3日成功完成了“联盟”火箭的复飞，如果进步 MS－10货运飞船发射顺利，俄罗斯载人航天任务有望在2018年年底前进行。

3 联盟－FG火箭及应急救生系统

联盟－FG火箭

二级型联盟－FG火箭是联盟－U火箭的改进型，改进了助推器和一子级发动机的喷注器，提高了性能。该火箭由俄罗斯进步国家航天火箭科研生产中心研制与制造，是俄罗斯的载人型运载火箭，2001年成功首飞，截至目前进行了55次载人飞船发射，除了本次发射失败，均获得成功。此外，为了满足商业卫星发射需求，联盟－FG火箭还可以加装“弗雷盖特”（Fregat）上面级。该构型于2003年成功首飞，截至目前共进行了10次卫星发射。

联盟－FG火箭采用的模拟控制系统大大限制了其运载能力，计划2019年由联盟－2火箭代替。

应急救生系统

为了保障航天员的安全，联盟－FG运载火箭采用了应急救生系统，其主体是安装在载人火箭最顶端的逃逸塔，直接与包裹在整流罩内的载人飞船相连接，用于火箭准备发射至逃逸塔分离前“联盟”飞船的紧急逃生。

联盟－FG火箭结构图

联盟－FG火箭性能参数

逃逸塔工作程序

逃逸塔包括3种固体火箭发动机：主发动机、控制发动机和分离发动机。主发动机装在整流罩的上方，推力为785kN，工作时间约为5s，可将整流罩及其内部的轨道舱和返回舱迅速拉离运载火箭约1km处。主发动机共有12个喷管，沿圆周均匀配置，喷管轴线与纵轴的夹角为30°。在这12个喷管上方装有4台小型控制发动机。它们在主发动机点火后才启动，用来使被营救的系统转弯飞向一侧，落点距发射台约3km，以脱离险区。在4台控制发动机上方有一个半球形小整流罩，位于最上端的是分离发动机。分离发动机最后点火，使头部整流罩脱离返回舱。然后，返回舱用降落伞和软着陆发动机实现软着陆。为保证被营救的系统能在规定的方向上稳定降落，不仅在分离发动机喷管上装有配重，而且在整流罩上部结构上装有4个栅格稳定翼。它们平时紧贴在整流罩外壳上，紧急情况下则展开并保持与飞行方向垂直。

“联盟”火箭逃逸塔的具体工作步骤：

1）运载火箭发动机关机；

2）“联盟”飞船轨道舱、返回舱和整流罩上部结构一起同飞船仪器舱解锁分离；

3）主发动机点火，被营救系统迅速上升，脱离运载火箭；

4）控制发动机点火，被营救系统转弯脱离飞行轨道并转动至呈垂直状态；

5）主发动机燃尽，被营救系统的垂直速度接近零值；

6）返回舱同轨道舱脱开；

7）分离发动机点火，逃逸塔、整流罩上部结构和轨道舱同返回舱分离；

8）自动定位系统对返回舱进行定位；

9）投弃返回舱上的防热底盖和降落伞口盖；

10）打开降落伞，返回舱下落并测定其距地面的高度；

11）软着陆发动机点火，实施软着陆。

联盟－FG火箭飞行至约114s时，逃逸塔分离。从逃逸塔分离至整流罩分离（约158s）期间，一旦发生紧急情况，4个安装在整流罩上的固体发动机启动，将飞船拉离箭体。

在人类载人航天史上，除了本次发射，应急逃逸系统还应用过2次。1960年11月21日，一枚红石弹改箭火箭搭载一艘无人“水星”（Mercury）飞船准备做一次亚轨道发射试验。火箭正常点火，但在火箭离地100mm后，主发动机突然主动关闭，火箭又坐回发射台。在准备第二次点火时，火箭逃逸系统突然开始自动工作，将“水星”飞船拉起，5s之后，飞船距离地面1200m，之后飞船平稳降落在距离火箭370m处。此外，1983年9月27日，苏联发射联盟 T－10A载人飞船即将升空时，意外起火。情急之下，逃逸塔突然启动，带着载有航天员的飞船远离发射台，在2.4km外的地方安全着陆。而就在逃逸塔点火升空后几秒内，“联盟”火箭突然爆炸，发射台附近变为一片火海。

4 小结

联盟－FG火箭发射失败，俄航天领域再度陷入危机

俄罗斯联盟－FG火箭于2001年投入使用，截至目前共进行了55次载人飞船和10次商业卫星发射。本次发射是该型火箭出现的第一次发射故障，发射任务中，联盟-FG火箭正常点火起飞，逃逸塔分离之后，进入火箭助推级分离时序，但因一个助推器未能与火箭一子级成功分离而导致任务失败，但之后航天员依靠逃逸系统成功降落。

就在不到2个月前的8月29日，“国际空间站”的航天员在联盟 MS－09飞船上发现了一个2mm的漏洞，随后俄罗斯航天员用树脂堵住了漏洞，避免了空间站内加压气体泄漏。虽然没造成进一步的灾难，但造成这个漏洞的原因还在调查之中。而在这个时候出现的联盟 MS－10飞船发射失败，对于正在进行联盟 MS－09飞船漏洞原因调查的俄罗斯航天国家集团来说，可谓是雪上加霜。

载人航天风险性极高，传统逃逸塔技术仍将会存在

载人航天和卫星的发射有很大的区别，对于载人航天任务而言，保障航天员的安全是载人航天的先导和前提。全球载人航天的历史可以追溯到20世纪50年代，在载人航天发展的60多年间，全球共出现过5次灾难性事故，其中，1次发生在模拟飞行过程中，2次发生在飞船返回过程中，而另外2次则出现在飞船发射过程中，共造成21名航天员遇难。对于高投入、高风险的载人航天系统工程而言，除了大推力的运载火箭技术，飞船安全返回技术和完备的生命保障系统技术也是不可或缺的。本次“联盟”飞船发射虽然遭遇失败，但火箭的应急逃逸系统在逃逸塔抛掉以后启动，保障了航天员的安全。此外，在载人航天历史上，还出现过2次逃逸塔启动并成功挽救航天员的事件。

自第一型逃逸系统出现以来，虽历经反复，但已成功应用到了美国的“水星”、“阿波罗”（Apollo）载人飞船和俄罗斯“联盟”载人航天项目上，曾出现的3次逃逸事件表明，传统的逃逸塔系统可靠性高且拥有自主判断和主动工作的能力，具备“有塔逃逸”和“无塔逃逸”的能力，可确保在整流罩分离前载人飞船和航天员的安全，未来或将与飞船自主起飞技术并存。

俄罗斯近年来航天发射事故频发，运载火箭质量保证仍是重中之重

自1990年以来，俄罗斯航天领域出现了46次发射故障，且2005年以来，俄罗斯每年都出现因航天产品设计缺陷、产品质量或人为失误等引起的发射失败，少则1次，多则4次。为提升俄罗斯航天产品质量，2017至今，俄罗斯主管航天的副总理罗戈津（现俄罗斯航天国家集团总经理）多次组织召开航天产品质量和可靠性会议，力图从质量管控方面开展多项工作，其中包括统一的生产与运输条件监控系统、发动机制造领域一体化结构等。此外，在2018年，俄罗斯航天国家集团还对现役及在研火箭型谱进行了调整，逐步使事故频发的质子－M（Proton－M）火箭退役，取消“质子”中型和小型的研制计划，集中精力、财力、人力和物力做好“安加拉”（Angara）系列、联盟－5等新型火箭的研制工作，以及联盟－2系列的服务能力。而俄罗斯近2年的发射失败表明，从火箭设计、生产制造、试验到发射的各个环节的全面的产品质量保证，仍将是俄罗斯航天运输领域的重中之重。