常见故障原因：液体发动机推力损失

文/ 迟惑

相对于其他问题，“液体发动机推力损失”是过去几十年来航天发射任务失败的最常见原因。自1975 年以来，在大约241 起故障中，共有73 起或30%是由于液体发动机推力损失（不包括爆炸或点火失败的液体发动机）造成的。这些故障大多造成了灾难性的后果，也有一些仅仅造成了部分损失。

▲ 蒂罗斯卫星

▲ 博物馆里的宇宙神F 火箭

液体发动机推力损失而导致火箭失效的原因有几种。首先是过早耗尽推进剂。这种类型的失效一般是由于推进剂载荷计算不当造成的，也有可能是因为发动机性能低于设计指标，导致提前用完推进剂。印度GSLV 火箭第一次任务中就发生了这种问题。仪器读数错误也会导致推进剂装载不足，1981 年的德尔它 3913 发射中就发生了这种情况。还有一些液体发动机故障是由更复杂原因导致的。

几乎不可能的故障

1980 年5 月29 日，宇 宙 神19F火箭携带着NOAA-B 蒂罗斯气象卫星从加利福尼亚州范登堡空军基地的SLC-3W 发射台升空。发射正值凌晨，视觉观察没有发生异常。如果是在白天发射，人们可能会注意到从助推器一侧冒出的异常浓密的废气。

跟踪数据很快就显示有问题，但人们一开始无法理解。火箭按计划在速度-时间曲线的低端运行。第一级推进期间，助推器按计划分离。通常情况下，当助推器分离时，由于少了一部分推力，火箭的加速度会下降，但随着推进剂的消耗，加速度又会恢复。但当宇宙神19F 分离助推器时，速度-时间曲线变成了平的。专家们看到数据后深感震惊。

起初，弹道数据显示火箭已经失去了推力，但遥测数据显示，火箭的发动机还在正常工作。遥测数据是正确的，发动机确实在继续工作，直到一级火箭应该分离的时候，火箭还在工作。人们的担忧变成了困惑，专家们说：“这是不可能的！火箭上已经不会有燃料了！连润滑油都没有！”

发动机的关机时间比设计晚了50秒，火箭上没有减速机构，因此无法把速度降下来。卫星正常分离并启动了入轨发动机，但最终进入了椭圆轨道，基本上失效了。

调查显示，宇宙神火箭的一台助推器发动机出现了罕见的故障模式。这种发动机的启动过程非常迅速，比任何其他类似设计的发动机都快一个数量级，涡轮泵燃料侧和驱动机构之间的密封可能会弹回。一旦它被弹开，燃料就强行进入密封圈，并保持打开状态，每分钟大约有50 加仑（190 升）的燃料涌入驱动机构。与正常运转的发动机所消耗的燃油相比，这部分损失并不显著，但驱动机构每分钟只消耗5 加仑（19升）的润滑油，每分钟50 加仑的燃料涌入量比这高出一个数量级，由此产生的粘性阻尼使发动机推力降低到正常的80%左右，降低了助推器的加速度和速度，未使用的推进剂却增加了其重量。如果让助推器发动机再工作几秒钟就可以弥补这一差距，箭上导航系统试图做到这一点，但事实并非如此，助推器制导系统在达到设计速度之前就关闭了助推器发动机。

当时宇宙神火箭依然保持在正确弹道上，但速度不够高。制导系统、续航发动机和推进剂供给系统都在努力弥补这一差距，尽可能有效地将多余的推进剂转化为所需的速度。火箭挣扎接近于成功，但是最后还是功亏一篑。

在“宇宙神”所发射的各种卫星中，蒂罗斯气象卫星是独一无二的。火箭和卫星之间没有任何形式的电气接口。

通常情况下，在飞行过程中，由火箭发送信号，激活卫星上的星箭分离火工品，并通知航天器制导系统。但对于蒂罗斯气象卫星，设计要求它在接到发射命令后的有限时间内进入轨道，通常是90 天左右。这种时间表通常需要在发射场保持卫星处于就绪状态；这需要花钱，而且需要专门的人力和专门的处理设施。缩短航天器到达发射基地时间的另一种方法是取消助推器和航天器之间的电气接口。没有接口的好处是它们不需要测试，火箭可以单独做好发射准备，然后卫星与火箭结合，各自测试，之后10 天左右就可以发射，而不是通常的30 天。

因此，宇宙神火箭和蒂罗斯卫星之间仅仅使用V 形包带进行机械连接。卫星根据自己的加速计信号来决定何时需要启动星箭分离。如果出现了这个信号，表明火箭已经停止了推进。

如果火箭已经停止工作，卫星制导系统将发出命令，引爆火工品，使用小型单组元肼推力器与火箭分离，然后自己确定轨道和姿态数据，点燃TEM-364-15 远地点发动机，进入太阳同步轨道。

▲ 宇宙神F 火箭游动发动机细节

▲ 宇宙神F 火箭的发动机布置

▲ 宇宙神F 火箭有3 台发动机

▲ 准备发射GPS 卫星的德尔它4 火箭

这样的方案意味着，如果卫星加速度计出现故障，就无法实施星箭分离了。因此卫星制导系统中还有一个基于软件的计时器，如果加速度计一直不能提供信号，它就会接管信号并启动分离。在“宇宙神19F”的飞行中，蒂罗斯卫星的计时器在火箭继续燃烧以达到设计速度之前就完成了计数，关闭了主发动机，但两个LR-101 游动发动机继续工作了11 秒。游动发动机本身是为了让卫星分离前有更精确的指向。这两台发动机的推力只有4450牛顿，与主发动机相比并不多，但比卫星上的四个小推力器推力高出一个数量级。

包带炸开后，“宇宙神”仍然在推进，卫星无法与火箭分离，并执行所需的姿态控制动作。“蒂罗斯”卫星另一个节省成本的设计是火箭飞行弹道很高，这样就能用范登堡基地的遥测系统来跟踪火箭飞行弹道中尽量多的部分，减少对昂贵的“低空先进测距仪飞机”的需求。但这样的弹道意味着卫星在启动远地点发动机之前必须有正确的姿态。

“蒂罗斯”终于摆脱了火箭，它的远地点发动机把“宇宙神”的液氧储罐顶部烧出了一个洞，导致泄压。遥测数据显示，“宇宙神”液氧罐的压力立刻降到零。

因为推进太久，“蒂罗斯”最后进入的椭圆轨道与预期的830 公里太阳同步圆轨道相距甚远，基本上完全损失了。

▲ 德尔它4 重型火箭是世界上第一种把3 个几乎相同的第一级捆绑在一起的火箭

▲ 猎鹰9 火箭把轨道通信卫星送入了错误轨道

德尔它4 重型版的首飞事故

德尔它4 重型版火箭上次发生故障，是在2004 年12 月21 日。这是该型火箭的首次飞行。它从卡纳维拉尔角空军基地从SLC-37 升空。这是世界上第一种把3 个几乎相同的第一级捆绑在一起的火箭。飞行的初期似乎很顺利，但两个捆绑式助推器提前8 秒关闭。随后，芯级也提前9 秒关闭。

为了弥补第一级推进时间的不足，第二级火箭推进了更长时间，但是依然无济于事，试验有效载荷最终进入了远地点16000 公里的轨道，远远没有达到静止轨道。两个搭载的有效载荷也因为速度不够而坠入大气层烧毁。

这两个事故告诉我们，启动火箭发动机充满危险，但关闭液体火箭发动机也不是一个简单的过程。因此，设计师们必须非常小心，以确保发动机不会因燃料不足而提前关机。特别是在氧化剂和燃烧剂混合比过高的情况下。对于大多数发动机来说，氧含量过高很可能导致燃烧室压力突然提高，使发动机爆炸，火箭和卫星全部损失。

所以，几乎所有火箭都装有氧化剂阀门。当燃烧剂储箱基本用空的时候，就关闭发动机。然而，这正是德尔它4 重型首发失败的原因。第一级的3 个芯级上，传感器全都过早地报告了燃烧剂耗尽的信息，导致发动机在工作完成前关闭。

2012 年10 月4 日，搭 载着一 枚GPS 卫星的德尔它4 火箭发射升空。飞行过程中，第二级火箭发生了推力部分损失，不过卫星还是正常入轨了。随后的10 月7 日，第一次向国际空间站运送货物的猎鹰9 火箭发生一级发动机故障，虽然没有影响货运飞船的飞行，却导致了搭载的第二代轨道通信星座卫星无法进入正确轨道。而具体的问题，都是火箭发动机的推力没有达到设计指标。

其中猎鹰9 火箭的故障也是因为关机太早。控制系统发现其中一台一级发动机出现问题，于是自动关掉了它，由其他发动机的推进来弥补这个损失。出于安全考虑、避免碰撞，载人飞船或者货运飞船不能用火箭直接送到国际空间站，而是要在距离90 公里左右的地方释放，因此火箭入轨不准可以得到弥补。飞船的动力比较强，有弥补失误的能力。但是搭载的小卫星就做不到了，只能被留在错误的轨道上。

看来，发动机故障是无法杜绝的，但是通过整箭的恰当设计，还是有希望挽救任务的。这不仅需要适当的推进系统设计裕度，而且还需要考虑到可能出问题的整箭设计裕度。发动机发生故障后的抢救任务，是对有效载荷集成和任务设计过程的考验。