小火箭：接二连三的失败

文/松堂

2020 年至今，在航天发射失败的案例中，小火箭占了非常大的比例。其中大多数失败，是初创公司带来的。离我们最近的一次失败，就是2021 年9 月3 日的阿尔法火箭发射失败。这枚火箭由一家叫做萤火虫的私营企业研制，美国太空军的范登堡航天基地为它提供了发射场。当天下午美国当地时间9:59，阿尔法火箭从发射台上点火顺利升空。然而在火箭起飞后1 分47 秒左右，一名发射控制员表示阿尔法火箭并没有达到超音速，实际上按照设计要求，它应该在1 分07 秒就超过音速。到了起飞之后的2分18 秒，地面控制员惊喜地报告火箭已经超过音速了，然而人们仅仅高兴了11 秒钟，火箭就失去了控制，在天空中翻滚起来，然后炸得粉碎。

小火箭又不是大火箭，为啥这样难搞呢？现在我们分析一下这些失败案例，看一看能不能梳理出小型火箭失败率这么高的原因。

▲ 发射台上的阿尔法火箭

▲ 阿尔法火箭起飞

▲ 厂房中的阿尔法火箭

▲ 阿尔法火箭在空中爆炸

首射失败的“发射器一号”

2020 年5 月25 日，著名富豪理查德·布兰森创办的维珍轨道公司进行了第一次空间发射的尝试。他们用一架代号为宇宙少女的波音747 飞机，在左翼下携带了一枚“发射器一号”火箭，从美国加利福尼亚州起飞进入太平洋上空。当火箭达到一定高度的时候，飞行员释放了火箭，火箭发动机开始点火。发射地点大概是在美国长滩偏西160千米的地方。发射器一号火箭长达21米，当它从飞机上被释放下来的时候，还是很壮观的。

或许是因为受到“钢铁侠”马斯克的影响，维珍轨道公司在推特上进行了准实时的直播。在火箭发射的瞬间，他们就发出了第一条推特。但是3 分钟后，维珍轨道公司又发出了一条推特，说任务已经终止。“宇宙少女号”和4名机组人员安全返回了地面。维珍轨道公司的副总裁威尔后来在接受记者采访时为自己解释说，从历史上看首次飞行的成功率都不高，大概有一半的火箭首飞都是失败的，我们也不能够脱离历史现实嘛！

▲ 维珍轨道公司的“发射器一号”首次发射遭遇失败

发射器一号火箭采用两级结构。

第一级发动机叫做“牛顿三号”，推力大约32 千牛。二级发动机叫做“牛顿四号”，是一种可以关机再点火的液体火箭发动机，推力大约26.7 千牛，都采用液氧煤油燃料。因此“发射器一号”也是世界上第一种采用液体燃料的空射运载火箭。

发射失败之后，维珍轨道公司对事故进行了详细的分析，并且开始准备组装第二枚火箭。7 月，维珍轨道公司终于向外界透露了“发射器一号”失败的原因，是高压液氧管路发生断裂，导致牛顿三号火箭发动机氧化剂供应中断，当然就失去动力了。据说整个推进过程只持续了10 秒钟。我们都知道，液氧是一种低温燃料，氧气的沸点只有零下183 摄氏度。在输送的过程中，液氧不断从周围的环境中吸收热量，只要有一个气泡产生，就会极大地增加管道内的压力，因此液氧输送管道的耐压性能要求非常高。

实际上在所有火箭研制当中，只要是采用低温燃料的，不管是液氢液氧还是液氧甲烷，亦或是液氧酒精和液氧煤油，都曾经发生过因为液氧泄露而导致火箭失败的案例，这或许也是火箭研制商们不得不跨过去的一个门槛。随后轨道公司立刻开展了质量归零活动，用标准更高的器件来制造液氧输送管道，第二次发射终于取得成功。

▲维珍轨道公司的“发射器一号”正在组装

“电子号”失败：祸不单行

即使比较成熟的型号也没有人能够保证它就一定不会发生事故。

2020 年7 月4 日，火箭实验室公司的电子号火箭从新西兰起飞，二级火箭燃烧时发生了故障，带着7 颗小卫星掉进南太平洋。火箭实验室创始人兼首席师执行官彼得·贝克向客户们道歉说，一定会发现问题，并且加以解决。

▲电子火箭在2020 年7 月4 日的发射遭到失败

火箭实验室公司表示，导致发射失败的问题发生在起飞之后大约4 分钟内。但是火箭脱离安全区，没有对环境或人员造成意外的伤亡。视频显示，火箭的遥测信号在起飞后5 分41 秒完全消失。最后，火箭最高速度达到了每小时13700 千米，并且飞行到了194.8千米的高度，但没能达到第一宇宙速度，也没有达到500 千米的预定轨道高度。在这次任务当中，电子号携带了7 颗小卫星，其中有一颗卫星是日本佳能公司研制的对地观测卫星。这颗只有67 千克重的卫星，据说可以达到90 厘米的地面分辨率。这好像也是照相机企业直接研制对地观测卫星的第一个案例。

并不是每一个卫星业主都对这次发射失败给予很宽容的态度。英国航天公司的法拉第一号卫星也在事故当中损毁。这是一颗非常小的6u 立方体卫星。公司在推特上说，我们的团队被这条消息彻底击垮了，两年的辛勤工作化为乌有，这真是非常残酷的事情。

7 月31 日，火箭实验室公司拿出了自己的故障调查结果，是因为火箭第二级上一个电连接器意外失灵，导致火箭不能够正常工作。贝克具体解释说，在测试当中，电连接器都是很正常的，但是经过一段时间的使用，因为接头插针的质量不一致，其中有一个插针的电阻比其他插针都更高一些，强大的电流导致这个插针发热，然后因为热胀冷缩而膨胀起来。在插针的周围，是一些用来封装的化合物，一方面防止插头震动，另一方面也起到绝缘的作用。然而，过高的温度让这些封装料融化掉了，所以导致插针失效。在发射之前的测试中，电气工程师们没有发现这个问题。很显然，是电子号火箭团队的工程师们对这种类型的问题缺乏经验，给出的测试标准太低了一些。

电子号火箭与其他传统火箭的一个重要区别就是没有传统的燃气涡轮泵，而是改用锂电池驱动的电动涡轮泵向火箭发动机提供燃料。有人认为，电动泵的功率和燃料输送能力是非常有限的，不能够适用于大型运载火箭，但是电子号火箭是一种只有十几米高的小火箭，所以电动涡轮泵还是能够发挥作用的。但是换句话说，只要没电了，电子号火箭上的卢瑟福发动机就会停工。这就是本次失败的主要原因。彼得·贝克在推特上解释说。火箭的总体设计应该是没有问题的，所需要做的，只是改进电连接器牢固性这一件事。他说，在这次失败之前，火箭实验室公司已经成功发射了11 次，把53 颗小卫星送进了轨道。上一次失败是火箭实验室公司的第一次飞行，因为地面设备的一些故障，导致了火箭飞行失败。

但是电子号火箭的厄运似乎没有就此完结。2021 年5 月15 日，电子号火箭从新西兰的马来西亚半岛发射升空，但是在起飞后大约两分半钟，火箭第二级的姿态失控，发射失败，损失掉了全部卫星，其中包括两颗黑色天空公司的小型对地观测卫星。

▲ 在2020 年7 月4 日电子火箭发射失败中损失掉的佳能卫星

▲ 2021 年5 月发射失败的电子号火箭

这次发射开始前就不太顺利，为了等待高空的风力情况有所改善，电子号火箭在发射台上等待了一个小时。第一级火箭发动机按计划完成了自己的工作，在大约75 千米的高度和第二级火箭分离，当时的速度大概是每小时8200 千米。之后的程序应该是第二级火箭发动机点火，由一台卢瑟福发动机喷射6 分钟以上，然后到达预定轨道。但是在第二级发动机点火的时候，火箭的姿态似乎没有办法控制了。几秒钟后，二级火箭发动机关机，火箭的速度迅速下降。火箭实验室公司在遥测信号中断后，停止了原来在推特上进行的网络直播，在经过大约两个小时的确认之后，火箭实验室公司宣布发射失败。按照原计划，这枚火箭将通过三级火箭发动机的推进，把两颗黑色天空卫星部署到距离地球430 千米高的轨道上。为了实施这次发射，电子号火箭采用了全新的适配器，叫做双有效载荷适配器，两颗卫星在整流罩内，是一上一下叠放的。

7 月19 日，火箭实验室公司宣布，自己找到了这次发射失败的原因，主要是因为二级火箭发动机的点火系统发生了故障，导致星上计算机的信号中断。计算机认为火箭已经不能够正常工作，偏离了预定的参数，然后把发动机关闭了。火箭实验室公司表示点火系统的这种故障，在以前的地面实验中没有发生过，是在一整套独特的环境和客观条件下发生的。为了解决这个问题，工程师们在实验室中重复了故障，并且为点火系统提供了冗余改变设计和制造方式，以此来防止问题再次发生。

其实所有从事过正规火箭研制的工程技术人员，听到这条消息或许都会会心一笑：和所有的火箭研制单位一样，电子实验室公司只是学费交得不够多而已。

▲ 损失掉的两颗黑色天空卫星

“织女星”也有不行的时候

如果说上面这些火箭都是私营企业研制的，工程师们在研发投入和总体经验上有所欠缺，那么老牌宇航公司所研制的火箭是不是就能表现好一点儿？

事实上也没有这么容易。2020 年11 月17 日，欧空局研制的织女星运载火箭，运载了一颗西班牙对地观测卫星和一颗法国科学卫星，从法属圭亚那库鲁航天中心起飞后，在即将进入轨道的时候出现故障导致发射失败，损失了差不多4 亿美元的卫星。

从严格意义上来说，“织女星”并不是一种很小的火箭，它的高度达到30 米，起飞重量100 多吨，属于一种中型偏小的火箭。但是和欧空局的另外一种火箭“阿里安5”相比，它真的就是一种小火箭了。

发射当天，织女星火箭起飞之后三级固体燃料火箭都工作正常，把卫星送到了接近于每秒7600 米的速度，眼看就要进入轨道了。但是火箭的第四级，也就是称之为“姿态和游标上面级”的火箭段没有能够正常工作。这个上面级应该关机又开机，进行四次推进，把载荷送进大约676 千米高的预定轨道。这是一种采用液体燃料发动机的上面级。总承包商在声明中说，上面级发动首次点火之后发生了异常，导致轨道偏离、任务失败。上面级在没有能够正常点火之后，带着卫星逐步下坠，掉回地球。

织女星火箭虽然系出名门，但是成功率不算太高，在2019年的7月，“织女星”在为阿拉伯联合酋长国发射一枚军事卫星的时候，没有能够进入轨道。根据事后分析，是第二级火箭发动机的前部端盖在高温下失效，火箭解体。

我们现在回来说这个液体燃料的上面级。它并不是由欧空局自己生产的，而是由乌克兰生产的，采用了非常传统的偏二甲肼和硝酸推进剂。我们对这种燃料应该非常熟悉，它就是长征三号家族所采用的那种燃料。它们最大的优点就是可以在常温常压下存储，而缺点就是有毒有害。乌克兰在苏联时代在航天领域有崇高的声望，但是冷战结束至今，特别是2014 年乌克兰内战爆发以后，社会局面动荡，经济严重下滑。这是不是影响到了乌克兰航天单位及其火箭工厂的工作质量？目前还不能够得出结论。

但是不管怎么说，上面级是欧空局自己验收通过的。就算是制造当中的质量有问题，验收的时候也应该发现。那么这次火箭飞行失败，确实不应该完全归咎于乌克兰方面。

▲ 织女星火箭这次失败损失了两颗高价值卫星