近年来俄罗斯运载火箭故障综合分析与启示—联盟－FG火箭发射失利引发的思考

张 娅

北京时间2018年10月11日16时40分，载有俄罗斯阿列克谢奥·夫奇宁和美国尼克·黑格两名航天员的联盟 MS－10载人飞船由联盟－FG运载火箭从哈萨克斯坦拜科努尔发射场发射升空。出乎意料的是，火箭一子级一个捆绑助推器分离失败，乘员舱以弹道式再入方式下落，所幸船上两名航天员紧急启动应急逃逸系统成功逃生。本次事故是自1983年以来首次因运载火箭故障导致载人飞船发射失败的案例。更为讽刺的是，俄罗斯专门挑选10月11日作为发射日，因为当天是俄罗斯航天骨干企业、生产“联盟”载人飞船的能源生产设计联合体成立100周年纪念日。

1 引言

2018年3月，“抛物线弧”（Parabolic Arc）网站曾发布了一份数据统计报告，指出过去30年中，俄罗斯航天任务共失败60次，平均每年要失败2次。报告还特别指出，回顾过去十年，较为严重的航天事故是向国际空间站运送物资的3艘进步 M飞船折损、欧洲“伽利略”卫星导航星座下的两颗卫星被送入错误轨道，以及发射“福布斯-土壤”时致中俄合作研制的火星探测器损毁，而联盟 MS－10载人任务的失败再次令一直为频发航天故障困扰的俄罗斯航天工业雪上加霜,这进一步破坏了对俄罗斯运载能力、乃至太空能力的信任。

2011－2018年，俄罗斯航天发射次数总计225次（含欧洲“联盟”及海射公司“天顶”），发射事故高达18次，故障率8%，其中“联盟”火箭8次居首位（含部分失败2次），“质子”火箭7次（含部分失败1次），“轰鸣”2次（含部分失败1次）以及“天顶”1次。总体来看，俄罗斯故障体现了两个集中：一是时间集中，如仅2011年一年就有4起发射失败，而2015年20天不到就出现了两起发射失利；二是型号集中，仅“联盟”和“质子”两型火箭就占到了失利总数的83%。

2 故障类型分析

设计故障

一般来说，设计故障多发生在研制阶段的初期及开始使用阶段，或发生在更换新系统或新部件后的头几次飞行，而随着飞行次数的递增，故障将逐渐地减少并趋于稳定。不过，成熟火箭也会因设计故障发射失败，典型的是2014年8月22日，阿里安航天公司采用联盟 ST火箭发射“伽利略”任务失败的案例。此次事故的根本原因并非质量控制不严抑或是制造问题，而是火箭配备的“弗雷盖特”（Fregat）上面级热动态要求在研制阶段只考虑了短时燃烧的工况，并未考虑到各子级系统间的热传递，致使官方的指导文件让装配工人在排布燃料管路时灵活性较大。在“伽利略”任务中，由于入轨过程延长，从而导致燃料管路布置不当引发推力器肼燃料冻结，燃料供给中断，卫星被送入错误轨道。无独有偶，2015年4月28日，联盟-2-1a火箭发射进步M－27M时箭、船分离异常，也是因为在研制过程中仅单一考虑了火箭和航天器各自的动力学特性，未充分考虑星箭匹配后组合体产生的新特性，因而未能在火箭系统的设计、试验工作中充分重视连接结构。

俄罗斯发射事故统计图（2011－2018年）

2015年5月“质子”火箭/“墨西哥通信卫星”卫星进场

联盟－2－1b/Fregat发射流星－M

推进系统故障

推进系统原本就是运载火箭上最易发生故障的部分，在运载火箭发射失败案例中，由发动机故障引起的通常占一大半。以故障发生最多的“质子”火箭为例，在2014年和2015年皆因火箭三子级涡轮泵叶片在高温下发生损耗，造成叶片失衡，进而导致三子级游动发动机超过振动负载，加之平衡系统不稳定，发动机提前关闭，星箭俱毁。事实上，1988年1月火箭就因此原因发射失败，介于当时的火箭发动机未配备负载传感器，未能查明事故的真正原因。另外，从2006－2018年，“质子”火箭发射总数达100次，失败11次，失败率高达11%，其中7次均为上面级故障，“微风”上面级就占到了6次，这充分说明俄罗斯的归零工作不到位，质量监管体系存在重大问题。

人为故障

人为故障一般是在制造、装配、测试过程中质量控制不严造成的故障，偶发性和随机性强。俄罗斯近年来频发的航天事故与此难脱干系。最为典型的案例是2013年7月质子-M/DM-03运载火箭在发射3颗“格洛纳斯”（GLONASS）导航卫星时，因工人在装配时将火箭一子级上6个角速度传感器中的3个安装颠倒，导致火箭控制系统发出指令错误，星箭均在发射场炸毁。在后续调查中发现，俄罗斯尚无在发射前防范此类错误的相关规定，而箭上传感器早在2011年就已安装完毕，又未拍摄安装全过程，相关责任方自然无法追溯。事实上，2010年12月俄罗斯也曾采用质子－M/DM－03运载火箭发射3颗GLONASS-M卫星，由于燃料加注出错，星箭俱毁。2016年12月进步 MS－04货运飞船发射失败的根本原因也是发动机内部有异物进入，导致氧化剂贮箱破裂爆炸，故障性质为人为事故。最为讽刺的当数2017年11月28日未能入轨的流星-M气象卫星，竟然因上面级制导参数未按照实际发射的新建东方发射场设定，而是惯性思维直接沿用了往常从哈萨克斯坦拜科努尔发射场发射的参数，完全属于人为疏忽大意，并非技术问题，令人啼笑皆非。

3 故障原因综合分析

经济及政治形势日益恶化

20世纪90年代,俄罗斯向市场经济过渡的混乱局面就使俄罗斯的太空计划陷入了困境。虽然俄罗斯运载火箭在卫星发射市场上具有强大的竞争力，但联邦政府在升级发射设施和开发新太空技术方面严重缺乏投资，这使得俄罗斯一直面临吃老本的局面。世界油价的暴跌使俄罗斯经济遭受重创，这使得预算本就不足的俄航天预算进一步缩水，俄罗斯10年的航天预算仅与NASA大约1年的预算相当，在这样的情况下，俄罗斯航天自然很难健康发展。2014年乌克兰危机爆发后，俄罗斯遭遇了经济制裁与政治抵制，俄罗斯航天工业面临的局势更加窘迫。据2018年6月俄罗斯卫星网（Sputnik）国家新闻机构报道，俄罗斯航天国家集团公司（Roscosmos）很有可能在未来3年（2019－2021年）面临高达1500亿卢布（超20亿美元）的资金缺口，这将使本就面临困境的俄罗斯发射业再度陷入危机。

现代化质量监管体系缺失，技术、管理归零不到位

尽管每次事故后俄罗斯均会信誓旦旦地发表声明，严查故障原因，追究责任人，并实施行之有效的管控措施来杜绝航天事故的再次发生，但其一而再、再而三地发生故障，且均集中在成熟型号上，这不得不更让国内外质疑俄罗斯航天产品的质量管理体系。迄今，上至俄航天局局长、下至重要航天研究和生产企业的负责人都被更换过，事实证明，这种寻找“替罪羊”的办法并不能阻止事故再次发生，高频的航天事故已经不是单纯的质量事故，而折射出更多俄罗斯航天的痼疾。苏联时期，俄罗斯航天一直是由军方管理，苏联解体后，俄罗斯原有的军事化领导体制在政治体制转型过程中解体，迫于经济压力，航天从军队中脱离出来，成立了联邦航天局，作为专门的政府机构来管理航天产业。监管机制“去军事化”后，俄罗斯并未设立独立的测试机构来检验产品，而是由相应的军工生产企业自行完成，这种“既当考生又当考官”的制度显然不能保证航天产品的质量，反而使故障渐成“常态”。多个航天器的折戟沉沙，几乎都与航天产品质量监督不力和生产部门责任不明有很大关系。目前看来，俄罗斯并未向现代化质量控制体系过渡，也无适当的书面程序可以防犯错误。经验丰富的老一代工程师也已退休，而新一代年轻人也从未进行任何系统的培训。若想重振俄罗斯航天业，行业内部必须“刮骨疗伤”，建立严格的质量管理体系。

生产能力及配套发射服务难以满足高密度发射需求

单从规模上来看，俄罗斯继承了苏联航天业90%的资产，算得上“家大业大”，但由于历史原因，俄罗斯多型现役火箭虽标属俄罗斯，实际上是由俄罗斯、乌克兰与哈萨克斯坦共同参与研制，火箭部件也非全部由俄罗斯生产，因此想要全盘掌控，绝非易事。随着单型火箭发射密度的增加，暴露的问题越来越多。以质子－M/微风－M火箭为例，最初年发射次数约2次/年，自2006年开始增加，最多达到12次/年，无独有偶，也正是从这一年开始，该型火箭几乎年年都出现发射失利。2016年年底，俄罗斯又发现制造厂家在粘结“质子”火箭二子级和三子级发动机零件时使用了错误焊料，不得不将58台发动机返厂进行重新评估，造成“质子”长时间停飞。从某种程度上而言，这可以说明俄罗斯运载火箭的整体航天发射能力根本不能满足高密度发射的需求，直接或间接诱发了发射活动中事故隐患的出现。质量控制问题以及SpaceX公司的崛起，使俄罗斯在发射市场的主导地位受到了挑战。2016年俄罗斯全球发射总数仅排名第三，2017年尽管发射总数增加至21次，但按历史标准来看仍然很低,而2018年俄罗斯仅发射20次，大幅落后于中国（39次）和美国（34次）。在GEO商业卫星发射市场，曾经的老大哥“质子”火箭已经排在猎鹰－9和“阿里安”之后，而保险市场已经认定“质子”火箭10次发射必定有1次失败，这成为保险商的定价依据。俄罗斯似乎已经无力挽回批量客户流失、保费增加的局面，在商业发射市场上份额持续减少。

航天基础工业严重老化，人才流失、断层现象严重

俄罗斯航天国家集团认为，相比发达国家，俄罗斯航天经费投入严重不足。在航天研究和发展方面，俄罗斯的资金投入只有发达国家的十分之一，在基础设施和人员培训方面的投入只有发达国家的五分之一。俄罗斯三分之一的军工企业已倒闭，70%的生产技术已经过时，超过半数的生产模具已在超时服役。在人员配置方面，老龄化现象非常严重，员工的平均年龄为50岁，在一些国防产业研究中心员工的平均年龄甚至超过60岁。航天经费逐年下滑，基础工业严重老化，人才流失、断层现象非常严重。罗戈津早就指出，2007－2011年，美国以航天火箭技术发展为题的科技著作有716部，欧盟有658部，而俄罗斯只有132部。俄罗斯的航天活动也几乎没有新的亮点，一直处在吃老本的状态。

管理改革收效甚微，经费支配仍不合理

俄罗斯总统普京早就指出俄罗斯军工业发展滞后，航天产业结构存在问题，要求采取“强有力且涵盖范围广”的路线实现“跃进”式发展。2016年1月1日，原联邦航天局与联合火箭航天公司合并，组建了俄罗斯航天国家集团公司，其目的包括清除冗余工业能力、优化质量控制流程等。罗戈津曾宣布要裁掉现有25万员工中的10万，再每年招收1万名大学毕业生，为航天注入新鲜血液。目前来看，俄罗斯航天国家集团公司的成立似乎并未缓解俄罗斯航天的困境。最近5年来，俄罗斯航天火箭以及防空导弹等领域的骨干企业大幅改组，各种集团和财团不停拆分、重组，在这一过程中由于牵涉到很多利益集团，丑闻也层出不穷。另外，俄罗斯的经费管理也不如人意。一家俄监察机构宣布仅2014年一年俄罗斯航天项目就浪费了18亿美元，俄罗斯决策者还不断从航天预算中抽取经费支援军事项目，或是用于东方发射场、被占领的克里米亚航天设施等项目。东方发射场的建筑商正是索契冬奥会场馆的建设者，其工程进度拖沓、质量不过关，也受到了关于其贪腐的质疑。

4 启示

强化航天型号可靠性工作及全过程质量控制，深入推进航天精细化质量管理

成功是航天事业的生命，但成功不等于成熟，成熟不等于可靠。如今太空发射服务的竞争愈加激烈，确保进入空间必须提供完备的航天发射服务。面对目前高强密度发射的需求，强化航天型号可靠性工作及全过程质量控制，推进精细化质量管理才是确保航天型号一次成功的重要保证。特别要注意，必须要把控好火箭的研制、装配、试验、运输的每个环节，即使针对成熟火箭也必须要有一个再认识、再分析，特别还有一个再确认的过程。只有有效控制火箭产品的质量，完善制造验收体系，提高研制管理水平，才能确保每发成功。

发射活动属高风险行业，配备至少两个系列运载火箭,确保航天装备和空间探索活动持续发展

随着运载技术的发展，运载火箭的故障率相比早期急剧下降，航天活动的安全性越来越高，但是航天发射属高风险行业，运载火箭在研制、生产、试验及使用过程中，由于外部各种苛刻条件与内部各系统固有缺陷的综合作用，不可避免会有故障发生。因此，航天发射的高风险性决定了至少配备两个系列的运载火箭的必要性。从某种意义上而言，火箭允许失败，但国家安全来不得半点闪失。美国就认为只有一种发射国家安全类有效载荷的方式是对国家安全的重大威胁。除此之外，适度竞争还有助于促进技术发展，增强企业健康。建议我国在部署新一代运载火箭型谱时重点支持国内两家运载火箭总体单位，发展至少两型运载火箭，以确保国家进入空间的能力。