一文告訴你航天發(fā)射成功有多難
航天發(fā)射中，任何一個(gè)小的故障都有可能造成發(fā)射的徹底失敗。而作為最復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品之一，運(yùn)載火箭的數(shù)百萬(wàn)個(gè)零件都至關(guān)重要，而且它們并非各自為戰(zhàn)。
“土星5號(hào)”托舉“阿波羅6號(hào)”離開(kāi)39A發(fā)射臺(tái)
運(yùn)載火箭分為多個(gè)系統(tǒng)，其中包括克服重力、艱難上升的動(dòng)力系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制姿態(tài)和方向的控制系統(tǒng)，供給各系統(tǒng)電力和信息的電氣系統(tǒng)等。本文選取幾個(gè)案例，說(shuō)明是哪些故障造成了火箭飛行的失敗。
動(dòng)力系統(tǒng)故障
1. 火箭“漏油”了
2007年6月15日，作為聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟成立后的第3次發(fā)射，宇宙神5-401火箭再次發(fā)射升空。載荷為編號(hào)NROL-30（美國(guó)國(guó)家偵察局）的2顆白云-3海洋監(jiān)視衛(wèi)星?！鞍自?3”的2顆衛(wèi)星均攜帶有信號(hào)情報(bào)（SIGINT）載荷。NROL-30任務(wù)計(jì)劃是被發(fā)射至1100千米高、傾角為63.4°的低地球軌道上。這次任務(wù)是宇宙神5火箭首次發(fā)射白云-3衛(wèi)星。
“宇宙神”發(fā)白云-3海洋衛(wèi)星
火箭起飛，俄制RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)、單發(fā)半人馬座上面級(jí)分離、RL-10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火……
但2顆白云-3衛(wèi)星只進(jìn)入到了近地點(diǎn)約900千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)1100千米的軌道，即使主發(fā)關(guān)機(jī)后輔助推進(jìn)器全力抬升軌道，半長(zhǎng)軸偏差仍然超過(guò)了100千米。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)這次發(fā)射并不算成功。白云-3衛(wèi)星配備有巨大的監(jiān)聽(tīng)天線，并不可能有大機(jī)動(dòng)能力。
問(wèn)題在于半人馬座上面級(jí)的RL-10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)。由于液氧閥門(mén)泄露，發(fā)動(dòng)機(jī)的氧化劑/燃燒劑混合比偏差過(guò)大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)提前4秒關(guān)機(jī)。
2. 一塊抹布引發(fā)的爆炸
1990年2月22日，一枚阿里安4運(yùn)載火箭托舉著2顆通信衛(wèi)星從法國(guó)圭亞那庫(kù)魯航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空。470噸重的阿里安-44L構(gòu)型使用4個(gè)液體助推器，每個(gè)助推器使用1臺(tái)傾斜9°安裝的維京-6液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。一子級(jí)使用4臺(tái)維京-5C液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。二子級(jí)使用一臺(tái)維京4B常溫推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)都使用四氧化二氮和UH-25的雙組元常溫推進(jìn)劑。使用低溫推進(jìn)劑的H10組級(jí)通過(guò)一臺(tái)HM-7B火箭發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)燃燒759秒，以將最多4.73噸的載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。
阿里安-44L構(gòu)型火箭
火箭點(diǎn)火起飛，甚至還沒(méi)有離開(kāi)發(fā)射臺(tái)時(shí)，芯級(jí)一臺(tái)維京-5C發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)。對(duì)于44L構(gòu)型來(lái)說(shuō)，8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)總計(jì)會(huì)在垂直方向上貢獻(xiàn)535噸的推力以推動(dòng)470噸的運(yùn)載火箭。失去1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)后，推力降低到剛好略大于火箭的質(zhì)量，于是火箭緩緩地上升，燃?xì)鉀_刷了發(fā)射臺(tái)頂部。庫(kù)魯航天中心的工作人員并不指望火箭還能勉強(qiáng)上升以抵達(dá)軌道，但他們肯定也不希望在發(fā)射臺(tái)上空就引爆運(yùn)載火箭。如果這樣的話，400噸劇毒推進(jìn)劑的爆炸將徹底摧毀發(fā)射臺(tái)，并且使得整座基地充滿毒煙?；鸺従徏铀倭艘环侄噻姾蟊豢諝庾枇λ毫?，碎片墜毀在法屬圭亞那的沼澤里。價(jià)值5億美元的兩顆通信衛(wèi)星Superbird2和BS2X均被徹底摧毀。
問(wèn)題很快被找到了。罪魁禍?zhǔn)拙吞稍谝还?jié)維京-5C發(fā)動(dòng)機(jī)的殘骸里，是一塊抹布。雙組元推進(jìn)劑按照當(dāng)量混合比混合燃燒的話，溫度超過(guò)3000度，很明顯如此高溫的燃?xì)馐峭耆珶o(wú)法驅(qū)動(dòng)任何渦輪泵的，任何合金材料都會(huì)融化。而歐洲人在維京發(fā)動(dòng)機(jī)上選擇用一個(gè)泵向燃?xì)獍l(fā)生器中添加冷水以冷卻燃?xì)?。?wèn)題就在于這根水管被堵住了，以至于渦輪泵隨即被高溫燃?xì)獯輾?，?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失去推力。
調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)中的水管需要重新拋光，而負(fù)責(zé)技術(shù)員在水管里墊了個(gè)手帕，結(jié)果回去過(guò)周末后生病了。新的負(fù)責(zé)人不知道里面有個(gè)手帕，導(dǎo)致它就作為一項(xiàng)外來(lái)物被封裝在這臺(tái)維京-5C發(fā)動(dòng)機(jī)里，直到火箭升空。
結(jié)構(gòu)故障
1. 被火箭整流罩“卡住”的發(fā)射
第一批火星探測(cè)器采用稱為水手C的構(gòu)架研制，重261千克的探測(cè)器將使用宇宙神-阿金納D火箭發(fā)射。計(jì)劃于1964年11月的地火轉(zhuǎn)移窗口出發(fā)奔火。11月5日，宇宙神-阿金納D火箭將水手3號(hào)探測(cè)器發(fā)射升空。宇宙神火箭級(jí)正常分離，阿金納D組級(jí)的貝爾8096發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。按照計(jì)劃分離后，探測(cè)器遙測(cè)表明太陽(yáng)能帆板沒(méi)有打開(kāi)。工程師很快意識(shí)到整流罩沒(méi)有打開(kāi)。在地面發(fā)送指令打開(kāi)整流罩失敗后，美國(guó)宇航局工程師建議用姿態(tài)控制推進(jìn)器點(diǎn)火把整流罩吹開(kāi)，但是實(shí)際上發(fā)射已經(jīng)失敗了——增加的整流罩死重，使得阿金納D上面級(jí)并沒(méi)有將探測(cè)器加速到足以前往火星——實(shí)際上僅進(jìn)入近日點(diǎn)0.983AU、遠(yuǎn)日點(diǎn)1.311AU的軌道。發(fā)射失利。不久后，水手3號(hào)探測(cè)器由于電量耗盡而“死亡”。
“宇宙神-阿金納D”發(fā)“水手3號(hào)”
美國(guó)宇航局發(fā)起的事故調(diào)查表明，出現(xiàn)故障的原因是新型玻璃纖維蜂窩狀整流罩缺乏試驗(yàn)，在其穿越大氣層時(shí)，未放氣的蜂窩單體和外界真空產(chǎn)生的壓差導(dǎo)致整流罩內(nèi)殼破裂，使得分離機(jī)構(gòu)卡滯。該局在兩個(gè)星期內(nèi)準(zhǔn)備了一個(gè)新的鎂合金整流罩，用于水手4號(hào)探測(cè)器的發(fā)射。11月28日，“水手4號(hào)”踏上火星之旅。
2. 助推器“刺客”
神秘的STS-27任務(wù)將部署第一顆“長(zhǎng)曲棍球”合成孔徑雷達(dá)成像衛(wèi)星。其內(nèi)部代號(hào)為“縞瑪瑙”（Onyx)于1988年12月2日搭乘阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射升空，這是STS-51-L失敗后的第二次航天飛機(jī)任務(wù)。衛(wèi)星被部署于近地點(diǎn)437千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)447千米、傾角57°的軌道，編號(hào)USA34。
STS-27是險(xiǎn)象環(huán)生的一次任務(wù)，因?yàn)樘鞖庠颍教祜w機(jī)在濕潤(rùn)的肯尼迪航天中心放置了數(shù)天。由于縞瑪瑙-1衛(wèi)星為絕密任務(wù)，起飛時(shí)間直到發(fā)射前24小時(shí)才敲定。為防止絕密雷達(dá)衛(wèi)星的圖像泄露，STS-27任務(wù)僅使用最低碼率的任務(wù)圖像傳輸，部署縞瑪瑙-1衛(wèi)星后，任務(wù)控制中心告訴航天飛機(jī)機(jī)組，可能有碎片擊中了熱防護(hù)系統(tǒng)，于是機(jī)組執(zhí)行了機(jī)械臂目視檢查熱防護(hù)系統(tǒng)完好性。他們驚恐地發(fā)現(xiàn)，貨艙腹部的防熱瓦受損嚴(yán)重，而機(jī)械臂無(wú)法伸到熱流沖刷最嚴(yán)重的機(jī)翼前緣。他們向任務(wù)控制中心報(bào)告了受損情況，但堪稱史前畫(huà)質(zhì)的圖片使得任務(wù)控制中心的工程師什么都看不清，以至于他們認(rèn)為損壞并不嚴(yán)重。憤怒的指令長(zhǎng)明白航天飛機(jī)根本無(wú)法撐過(guò)再入。但他也無(wú)計(jì)可施，沒(méi)有航天飛機(jī)來(lái)得及救援軌道上的“阿特蘭蒂斯號(hào)”。他告訴組員享受這幾天的飛行吧。
被徹底摧毀的一塊機(jī)腹隔熱瓦
12月6日，航天飛機(jī)軌道器執(zhí)行離軌點(diǎn)火，所幸的是，完全損毀的那片防熱瓦下面剛好是比較耐熱的一套S波段天線組件，“阿特蘭蒂斯號(hào)”奇跡般地逃過(guò)一劫。
當(dāng)美國(guó)宇航局終于意識(shí)到航天飛機(jī)受損的嚴(yán)重程度時(shí)，他們啟動(dòng)了調(diào)查。問(wèn)題鎖定在航天飛機(jī)可重復(fù)使用固體火箭助推器的頭錐上——這是一種氯磺化聚乙烯橡膠。按照計(jì)劃，材料只需要在發(fā)射前存放15天，但在STS-27任務(wù)中，其在潮濕的靶場(chǎng)中存放了45天。頭錐的壓力承受極限迅速下降，一周內(nèi)就會(huì)降低30%~40%。另外該局推斷，撞擊發(fā)生時(shí)速度超過(guò)2.5馬赫，一般的小碎片是根本無(wú)法穿過(guò)軌道器周圍的激波的。碎片可能有1.5~3米那么大。
新的制造程序?qū)教祜w機(jī)可重復(fù)使用固體火箭助推器的頭錐工藝進(jìn)行了改進(jìn)，大量減少了頭錐碎片及其他可能損壞航天飛機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)的威脅。這些調(diào)查和改進(jìn)發(fā)生在STS-107任務(wù)前14年。
電氣系統(tǒng)故障
1. 接反的控制線路
AS-502任務(wù)是土星5號(hào)運(yùn)載火箭第2次飛行試驗(yàn)，有效載荷為L(zhǎng)TA-2R月球艙試驗(yàn)件與CSM-020號(hào)飛船，用于測(cè)試近第二宇宙速度再入。
火箭第一級(jí)在起飛149秒分離，隨后5臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作至319秒，此時(shí)2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降了超過(guò)三分之一。在起飛412.92秒后，2號(hào)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度突然升高，發(fā)動(dòng)機(jī)隨后關(guān)機(jī)，1秒多后，3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)也關(guān)機(jī)了。但火箭儀器艙內(nèi)部的控制器只考慮單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效時(shí)的彈道變化，而在2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效時(shí)它并無(wú)內(nèi)置預(yù)案。于是其仍然試圖恢復(fù)設(shè)計(jì)中的4發(fā)工作模式，火箭以錯(cuò)誤的“抬頭”模式持續(xù)加速至576秒，S-II級(jí)分離，比預(yù)期多燃燒了57.81秒，將火箭送入了嚴(yán)重錯(cuò)誤的彈道。
關(guān)于S-II級(jí)的兩個(gè)問(wèn)題——2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器的波紋管泄露，使得2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)槿剂媳磺袛喽P(guān)機(jī)。3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)是因?yàn)閮膳_(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制線被錯(cuò)誤地接反了，于是將關(guān)閉氧化劑閥門(mén)的指令送到了3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致其提前關(guān)機(jī)。
2. 錯(cuò)誤的參數(shù)設(shè)置
SES-14通信衛(wèi)星是一顆重4423千克的全電星，基于全電星-3000EOR平臺(tái)建造，并且承載美國(guó)宇航局的GOLD有效載荷。GOLD是一臺(tái)遠(yuǎn)紫外波段的高光譜探測(cè)儀，工作于132nm~162nm的波段，具有兩臺(tái)相同并且獨(dú)立的探測(cè)儀，主要用于觀測(cè)地球的電離層，可以用于研究地磁暴、太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)電離層的影響以及電離層本身的一些性質(zhì)。
SES-14通信衛(wèi)星
Al Yah-3通信衛(wèi)星重3795千克，基于GEOStar-3平臺(tái)建造，屬于阿聯(lián)酋亞赫衛(wèi)星通信公司。衛(wèi)星使用石川島播磨重工制BT-4推進(jìn)器升軌，XR-5霍爾推進(jìn)器保位。
北京時(shí)間2018年1月26日，阿里安5火箭托舉著兩顆通信衛(wèi)星升空，目標(biāo)軌道是近地點(diǎn)250千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)45234千米、傾角3度的一條特殊超同步轉(zhuǎn)移軌道。設(shè)計(jì)這樣一條軌道是因?yàn)镾ES-14是一顆全電星，在此軌道上衛(wèi)星24小時(shí)有陽(yáng)照，也便于升入周期為24小時(shí)的橢圓軌道，從而使電推一直開(kāi)機(jī)升軌，而副星Al Yah3也配置有電推，對(duì)其影響不算太大。
但在一級(jí)關(guān)機(jī)分離、二級(jí)點(diǎn)火后幾秒，火箭遙測(cè)信號(hào)丟失了。
實(shí)際上火箭一起飛方向就錯(cuò)了阿里安公司說(shuō)是火箭二級(jí)問(wèn)題。當(dāng)天晚些時(shí)候，兩顆衛(wèi)星信號(hào)被地面站捕捉到。
衛(wèi)星進(jìn)入了近地點(diǎn)232千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)42163千米、傾角20.64°的軌道。SES宣布對(duì)SES-14衛(wèi)星壽命影響不大，但升軌定點(diǎn)需要額外4周。而“Al Yah3”比較倒霉，由于錯(cuò)誤的近地點(diǎn)幅角，如果直接強(qiáng)行使用化學(xué)推進(jìn)器提軌的話，壽命至少損失十六年以上——相當(dāng)于全損。
Al Yah3衛(wèi)星通過(guò)4次化學(xué)推力器點(diǎn)火進(jìn)入一條橢圓軌道。2018年5月9日，Al Yah3衛(wèi)星終于成功定點(diǎn)。2019年10月，SES-14也成功依賴電推完成定點(diǎn)。
問(wèn)題在于阿里安5火箭的導(dǎo)航系統(tǒng)。這次任務(wù)比較特殊，是一條超同步轉(zhuǎn)移軌道。因此，阿里安5火箭的慣性制導(dǎo)單元中某個(gè)參數(shù)應(yīng)該根據(jù)特殊飛行方位角需求被制定為70°，但是實(shí)際上還是設(shè)置為90°，最終導(dǎo)致火箭滾轉(zhuǎn)時(shí)往南多轉(zhuǎn)了20度——最后火箭在T+566的時(shí)候飛出了遙測(cè)范圍，也就丟失了信號(hào)。
控制系統(tǒng)故障
被忽略的數(shù)學(xué)符號(hào)
1962年7月22日，“宇宙神-阿金納B”成功從卡納拉維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，但任務(wù)很快失敗。宇宙神火箭關(guān)機(jī)前最后幾秒時(shí)火箭姿態(tài)發(fā)散，被任務(wù)控制中心引爆，碎片墜落到大西洋中。經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)月的調(diào)查，問(wèn)題浮現(xiàn)出水面。宇宙神火箭的制導(dǎo)算法基于平均速度計(jì)算，而在這個(gè)變量錄入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的時(shí)候，表示平均的一個(gè)小橫杠被忽略了，這樣雷達(dá)測(cè)量的瞬時(shí)速度就取代了平均速度。這個(gè)問(wèn)題在以前也出現(xiàn)過(guò)，但沒(méi)有影響飛行。因?yàn)槠綍r(shí)火箭通過(guò)天線四次接收地面站測(cè)量的速度數(shù)據(jù)，但這一次接收天線沒(méi)有鎖定地面，于是導(dǎo)航計(jì)算機(jī)自動(dòng)切換至箭上的制導(dǎo)算法，并且引入了過(guò)校正使得火箭偏離了航線。
