火箭发射频频中止为哪般

2020-11-18迟惑

太空探索 2020年11期

文/ 迟惑

从8 月29 日到10 月3 日，美国连续发生了5 次大型火箭因不明故障临时中止发射的事件。

8 月29 日和9 月30 日，美国联合发射联盟的德尔它4 火箭重型版两次在发射前取消。8 月29 日的一次，火箭的主发动机已经点火，但被临时关闭，没有升空。9 月30 日的一次，火箭在倒计时7 秒时，箭上计算机认为发动机存在故障，中止了发射。对于一种飞行了10 多年、成功40 多次、仅仅失败了一次的火箭来说，连续两次发射前中止，是很少见的。10 月1 日，太空探索技术公司的猎鹰9 火箭准备将“星链”星座60 颗组网卫星发射升空，起飞倒计时18 秒时因地面传感器读数异常紧急中止。同一天，诺格公司的“心宿二”火箭进行的一次货运飞船发射则在倒计时2 分40 秒时因地面设备问题被中止。紧随其后，10月3日，猎鹰9 火箭在携带美国天军GPS-3 系列导航卫星的第4 颗卫星准备升空时，在倒计时3 秒时中止发射。

5 次同样的情况发生在一个多月的时间里，这在世界航天史上也很罕见。虽然没有造成卫星损失，但对这一系列事件进行跟踪分析，却是有必要的。

▲ 德尔它4 重型火箭准备发射NROL-44 卫星

▲ 搭载着GPS-3 的猎鹰9 号火箭竖立在肯尼迪航天中心的40 号发射台上，在它不远处竖立在39A 发射台上的是搭载着“星链”卫星的另一枚猎鹰9 号火箭

▲ 10 月2 日“心宿二”火箭成功将天鹅座货运飞船发射升空

中止发射的原因

5 次中止发射，除“心宿二”火箭明确指出是因为地面设备问题而导致发射中止，且在第二天再次发射成功，其它4 次发射中止的原因目前都有些含糊其辞。

我们先来看看联合发射联盟是怎么解释德尔它4 重型版发射中止的原因的。8 月29 日，德尔它4 重型版在为美国政府执行秘密间谍卫星NROL-44 发射任务时，在倒计时3 秒时中止了发射，当时有一台RS-68A 发动机已经点火，人们清晰地看到了火箭下部冒出的火光。联合发射联盟首席执行官布鲁诺在9 月9 日声称，导致德尔它4重型火箭发射中止的原因已经查明，是由于发射台的高压氦调节器内的膜片撕裂，并表示这是设备老化后可能会发生的问题。发射台上高压氦调节器内的膜片撕裂会导致其无法产生足够的压力让涡轮转起来，进而启动大型芯级发动机。当火箭探测到氦压力不足以让芯级发动机启动时，就会自会动中止发射。德尔它4 一级火箭使用了3 台RS-68A 发动机，同时地面上有3 台这样的调节器，每台发动机各配一台。布鲁诺当时表示，联合发射联盟正在核实另两台调节器的情况，将根据需要予以维修或更换，然后重新测试。

美国天军曾经在9 月表示，德尔它4 重型火箭直到12 月都不能恢复发射。但是联合发射联盟却急于再次发射。首次宣布的重新发射时间是在9 月26日，但因为“地面系统问题”推迟到了9 月30 日。原计划于美国东部时间9月30 日深夜23 时54 分发射升空，在倒计时进行到7 秒时，计算机自动中止了倒计时程序。和前一次中止发射不同的是，这一次联合发射联盟声称，计算机“在点火之前发现了一个意料之外的情况，发射程序因有传感器报错而自动中止”。

德尔它4 重型火箭并联使用3 台通用核心助推器，每台配一台RS-68A主发动机。3 台发动机要在发射前最后几秒按错时程序点火启动，其中右侧发动机要在起飞前7 秒率先启动，芯级和左侧发动机随之要在起飞前5 秒启动。启动时箭上发动机电子控制单元和健康监测系统对发动机状况进行测试，通过一系列传感器，在升空前对关键参数进行实时监测。如果参数异常，系统有权中止发射。很显然，这两次发射中止，都是电子控制单元自动执行的。

联合发射联盟如此急于发射，显然是因为卫星比较重要。美军并没有公布NROL-44 的性质，但是任务标志是一只在雪地上仰天长啸的灰狼，背后还有另外四只狼的身影。国外媒体解读说，灰狼长啸是在给同伴发出警示。因此，这可能是一颗针对高纬度地区的导弹预警卫星或者电子侦察卫星。

相较而言，太空探索技术公司的两次中止发射原因也各不相同。猎鹰9火箭10 月1 日发射“星链”组网卫星时，中止发射的原因是有地面传感器读数异常，此后于10 月6 日发射成功。10 月3 日，猎鹰9 火箭在发射新一代GPS-3 卫星的时候，也是在即将为主发动机点火之前中止了倒计时程序。马斯克本人在推特上说，发射中止的原因是一级火箭发动机的燃气发生器压力异常升高。

▲ 德尔它4 重型火箭的仰视图，右侧可以清晰地看到任务标志是一只在雪地上仰天长啸的灰狼

中止发射后的火箭怎么处理

虽然火箭中止发射的原因各不相同，但中止发射后火箭的处理方式基本上是相同的。这里面大致可分为两种情况。

一种是导致中止发射的原因比较简单，问题排除后在很短的时间内火箭可以重新发射。就像前面提到的“心宿二”火箭，中止发射后的第二天就成功发射了。这种情况处理起来比较简单，只要排除故障，再进行发射前的全面检测就可再次发射。

另一种情况就比较复杂。导致火箭中止发射的原因不明，或问题的排除比较复杂，需要较长的时间。这时候发射中止后的火箭不能像汽车一样熄火断电停在那里，需要把推进剂排空，发动机部分进行吹除，才可以进行后续的处理。而且火箭使用的推进剂的种类不同，处理的方法也有些不同。现代无毒推进剂火箭主要使用液氧作为氧化剂，液氢、煤油作为燃烧剂。煤油是一种常温常压下可以长期保存的物质，只需正常排放即可。液氢液氧因为是低温推进剂，加注后如果不发射会有一定程度的挥发损耗，在排放的时候也需要非常的小心。德尔它4 重型版火箭完全采用液氢液氧推进剂，装载量达到数百吨之多，因此每次取消发射都会有大量的后续工作。猎鹰9火箭采用液氧煤油燃料，情况会比德尔它4 略好一些。

一旦火箭取消发射计划，后续还会有大量的故障排除、软硬件测试和数据审核工作需要处理，有可能还会影响到下一次的发射任务。猎鹰9 火箭发射GPS-3 卫星时的意外就影响到了太空探索技术公司载人龙飞船的飞行任务。这次任务原计划10 月31 日发射，将把4 名航天员送入国际空间站，但为了安全起见，美国宇航局宣布推迟发射，要求太空探索技术公司对在GPS-3 卫星发射时暴露出的问题作出评估，并表示发射将不早于11 月中上旬。

不管有如何多的后续工作，会产生怎样的影响，只要火箭还在发射台上，一切就都还来得及补救。但是，如果火箭升空后出现问题怎么办呢？那就基本上只能靠火箭或卫星“自力更生”了。

▲ 载人龙飞船的第一飞行小组在飞船中训练，由于猎鹰9 号火箭在发射GPS-3 卫星时出现问题，载人龙飞船的第一次飞行任务被推迟到11 月中上旬

发射升空之后故障如何处理？

火箭发射升空后出现问题，常见的补救方式主要是延长火箭发动机的工作时间。如果火箭的一级是几台发动机并联的，而且火箭本身设计有动力冗余能力，当其中一台发动机发生异常时，火箭可以自动关闭故障发动机，让并联的其他发动机接替异常发动机的工作，并通过箭上的控制系统和导航系统进行重新规划，延长其余发动机的工作时间，把载荷送入预定轨道。或者当一级火箭动力不足时，可以让它的下一级火箭延长工作时间，这样也有可能把载荷送入预定轨道。

但是这种延长火箭发动机工作时间的方法只是一种补救措施，可能成功，也可能失败。2016 年3 月，在天鹅座货运飞船发射过程中，宇宙神5火箭的一级发动机突然提前5秒关机，幸而贮箱内的预留推进剂支持火箭的二级发动机延长了长达1 分钟的燃烧时间，最终成功将飞船送入轨道。不过火箭第一级发动机只要再提前关机1秒，这次发射就会失败。而俄罗斯的联盟火箭就没有这么幸运了。2009 年5 月22 日，俄罗斯联盟火箭携带着一颗俄罗斯军用卫星从拜科努尔起飞。火箭的第一级和第二级顺利分离，但第三级火箭只工作了3 秒就停机了。于是工作人员被迫分离了第三级，启动“微风”上面级，希望可以把卫星推到更高的轨道，但是直到上面级的燃料全部用完，这颗卫星也没有抵达预定轨道。

除了延长火箭发动机的工作时间外，还可以利用卫星自身的动力来挽救即将失败的发射。2018 年1 月25日，欧洲阿里安公司准备用阿里安5火箭将两颗卫星发射到地球同步轨道上。然而发射后9 分26 秒，控制室忽然失去了所有遥测数据。卫星没有被送入既定轨道，全球的跟踪站都找不到这两颗卫星。神奇的是，过了一阵两颗卫星的信号再次出现了，人们刚想松一口气，发现有些地方不对。卫星被部署在倾角20 度的轨道上，而不是打算进入的3 度。幸亏这两颗卫星都采用了电火箭发动机，经过漫长的变轨，卫星总算机动到位，恢复正常工作。