文/松堂

2020 年至今，在航天發(fā)射失敗的案例中，小火箭占了非常大的比例。其中大多數(shù)失敗，是初創(chuàng)公司帶來(lái)的。離我們最近的一次失敗，就是2021 年9 月3 日的阿爾法火箭發(fā)射失敗。這枚火箭由一家叫做螢火蟲(chóng)的私營(yíng)企業(yè)研制，美國(guó)太空軍的范登堡航天基地為它提供了發(fā)射場(chǎng)。當(dāng)天下午美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間9:59，阿爾法火箭從發(fā)射臺(tái)上點(diǎn)火順利升空。然而在火箭起飛后1 分47 秒左右，一名發(fā)射控制員表示阿爾法火箭并沒(méi)有達(dá)到超音速，實(shí)際上按照設(shè)計(jì)要求，它應(yīng)該在1 分07 秒就超過(guò)音速。到了起飛之后的2分18 秒，地面控制員驚喜地報(bào)告火箭已經(jīng)超過(guò)音速了，然而人們僅僅高興了11 秒鐘，火箭就失去了控制，在天空中翻滾起來(lái)，然后炸得粉碎。

小火箭又不是大火箭，為啥這樣難搞呢？現(xiàn)在我們分析一下這些失敗案例，看一看能不能梳理出小型火箭失敗率這么高的原因。

▲ 發(fā)射臺(tái)上的阿爾法火箭

▲ 阿爾法火箭起飛

▲ 廠房中的阿爾法火箭

▲ 阿爾法火箭在空中爆炸

首射失敗的“發(fā)射器一號(hào)”

2020 年5 月25 日，著名富豪理查德·布蘭森創(chuàng)辦的維珍軌道公司進(jìn)行了第一次空間發(fā)射的嘗試。他們用一架代號(hào)為宇宙少女的波音747 飛機(jī)，在左翼下攜帶了一枚“發(fā)射器一號(hào)”火箭，從美國(guó)加利福尼亞州起飛進(jìn)入太平洋上空。當(dāng)火箭達(dá)到一定高度的時(shí)候，飛行員釋放了火箭，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始點(diǎn)火。發(fā)射地點(diǎn)大概是在美國(guó)長(zhǎng)灘偏西160千米的地方。發(fā)射器一號(hào)火箭長(zhǎng)達(dá)21米，當(dāng)它從飛機(jī)上被釋放下來(lái)的時(shí)候，還是很壯觀的。

或許是因?yàn)槭艿健颁撹F俠”馬斯克的影響，維珍軌道公司在推特上進(jìn)行了準(zhǔn)實(shí)時(shí)的直播。在火箭發(fā)射的瞬間，他們就發(fā)出了第一條推特。但是3 分鐘后，維珍軌道公司又發(fā)出了一條推特，說(shuō)任務(wù)已經(jīng)終止。“宇宙少女號(hào)”和4名機(jī)組人員安全返回了地面。維珍軌道公司的副總裁威爾后來(lái)在接受記者采訪時(shí)為自己解釋說(shuō)，從歷史上看首次飛行的成功率都不高，大概有一半的火箭首飛都是失敗的，我們也不能夠脫離歷史現(xiàn)實(shí)嘛！

▲ 維珍軌道公司的“發(fā)射器一號(hào)”首次發(fā)射遭遇失敗

發(fā)射器一號(hào)火箭采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)。

第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)叫做“牛頓三號(hào)”，推力大約32 千牛。二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)叫做“牛頓四號(hào)”，是一種可以關(guān)機(jī)再點(diǎn)火的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，推力大約26.7 千牛，都采用液氧煤油燃料。因此“發(fā)射器一號(hào)”也是世界上第一種采用液體燃料的空射運(yùn)載火箭。

發(fā)射失敗之后，維珍軌道公司對(duì)事故進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并且開(kāi)始準(zhǔn)備組裝第二枚火箭。7 月，維珍軌道公司終于向外界透露了“發(fā)射器一號(hào)”失敗的原因，是高壓液氧管路發(fā)生斷裂，導(dǎo)致牛頓三號(hào)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑供應(yīng)中斷，當(dāng)然就失去動(dòng)力了。據(jù)說(shuō)整個(gè)推進(jìn)過(guò)程只持續(xù)了10 秒鐘。我們都知道，液氧是一種低溫燃料，氧氣的沸點(diǎn)只有零下183 攝氏度。在輸送的過(guò)程中，液氧不斷從周圍的環(huán)境中吸收熱量，只要有一個(gè)氣泡產(chǎn)生，就會(huì)極大地增加管道內(nèi)的壓力，因此液氧輸送管道的耐壓性能要求非常高。

實(shí)際上在所有火箭研制當(dāng)中，只要是采用低溫燃料的，不管是液氫液氧還是液氧甲烷，亦或是液氧酒精和液氧煤油，都曾經(jīng)發(fā)生過(guò)因?yàn)橐貉跣孤抖鴮?dǎo)致火箭失敗的案例，這或許也是火箭研制商們不得不跨過(guò)去的一個(gè)門(mén)檻。隨后軌道公司立刻開(kāi)展了質(zhì)量歸零活動(dòng)，用標(biāo)準(zhǔn)更高的器件來(lái)制造液氧輸送管道，第二次發(fā)射終于取得成功。

▲維珍軌道公司的“發(fā)射器一號(hào)”正在組裝

“電子號(hào)”失?。旱湶粏涡?/h2>

即使比較成熟的型號(hào)也沒(méi)有人能夠保證它就一定不會(huì)發(fā)生事故。

2020 年7 月4 日，火箭實(shí)驗(yàn)室公司的電子號(hào)火箭從新西蘭起飛，二級(jí)火箭燃燒時(shí)發(fā)生了故障，帶著7 顆小衛(wèi)星掉進(jìn)南太平洋。火箭實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人兼首席師執(zhí)行官彼得·貝克向客戶們道歉說(shuō)，一定會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且加以解決。

▲電子火箭在2020 年7 月4 日的發(fā)射遭到失敗

火箭實(shí)驗(yàn)室公司表示，導(dǎo)致發(fā)射失敗的問(wèn)題發(fā)生在起飛之后大約4 分鐘內(nèi)。但是火箭脫離安全區(qū)，沒(méi)有對(duì)環(huán)境或人員造成意外的傷亡。視頻顯示，火箭的遙測(cè)信號(hào)在起飛后5 分41 秒完全消失。最后，火箭最高速度達(dá)到了每小時(shí)13700 千米，并且飛行到了194.8千米的高度，但沒(méi)能達(dá)到第一宇宙速度，也沒(méi)有達(dá)到500 千米的預(yù)定軌道高度。在這次任務(wù)當(dāng)中，電子號(hào)攜帶了7 顆小衛(wèi)星，其中有一顆衛(wèi)星是日本佳能公司研制的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。這顆只有67 千克重的衛(wèi)星，據(jù)說(shuō)可以達(dá)到90 厘米的地面分辨率。這好像也是照相機(jī)企業(yè)直接研制對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的第一個(gè)案例。

并不是每一個(gè)衛(wèi)星業(yè)主都對(duì)這次發(fā)射失敗給予很寬容的態(tài)度。英國(guó)航天公司的法拉第一號(hào)衛(wèi)星也在事故當(dāng)中損毀。這是一顆非常小的6u 立方體衛(wèi)星。公司在推特上說(shuō)，我們的團(tuán)隊(duì)被這條消息徹底擊垮了，兩年的辛勤工作化為烏有，這真是非常殘酷的事情。

7 月31 日，火箭實(shí)驗(yàn)室公司拿出了自己的故障調(diào)查結(jié)果，是因?yàn)榛鸺诙?jí)上一個(gè)電連接器意外失靈，導(dǎo)致火箭不能夠正常工作。貝克具體解釋說(shuō)，在測(cè)試當(dāng)中，電連接器都是很正常的，但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，因?yàn)榻宇^插針的質(zhì)量不一致，其中有一個(gè)插針的電阻比其他插針都更高一些，強(qiáng)大的電流導(dǎo)致這個(gè)插針發(fā)熱，然后因?yàn)闊崦浝淇s而膨脹起來(lái)。在插針的周圍，是一些用來(lái)封裝的化合物，一方面防止插頭震動(dòng)，另一方面也起到絕緣的作用。然而，過(guò)高的溫度讓這些封裝料融化掉了，所以導(dǎo)致插針失效。在發(fā)射之前的測(cè)試中，電氣工程師們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。很顯然，是電子號(hào)火箭團(tuán)隊(duì)的工程師們對(duì)這種類型的問(wèn)題缺乏經(jīng)驗(yàn)，給出的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)太低了一些。

電子號(hào)火箭與其他傳統(tǒng)火箭的一個(gè)重要區(qū)別就是沒(méi)有傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪泵，而是改用鋰電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)渦輪泵向火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料。有人認(rèn)為，電動(dòng)泵的功率和燃料輸送能力是非常有限的，不能夠適用于大型運(yùn)載火箭，但是電子號(hào)火箭是一種只有十幾米高的小火箭，所以電動(dòng)渦輪泵還是能夠發(fā)揮作用的。但是換句話說(shuō)，只要沒(méi)電了，電子號(hào)火箭上的盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)停工。這就是本次失敗的主要原因。彼得·貝克在推特上解釋說(shuō)。火箭的總體設(shè)計(jì)應(yīng)該是沒(méi)有問(wèn)題的，所需要做的，只是改進(jìn)電連接器牢固性這一件事。他說(shuō)，在這次失敗之前，火箭實(shí)驗(yàn)室公司已經(jīng)成功發(fā)射了11 次，把53 顆小衛(wèi)星送進(jìn)了軌道。上一次失敗是火箭實(shí)驗(yàn)室公司的第一次飛行，因?yàn)榈孛嬖O(shè)備的一些故障，導(dǎo)致了火箭飛行失敗。

但是電子號(hào)火箭的厄運(yùn)似乎沒(méi)有就此完結(jié)。2021 年5 月15 日，電子號(hào)火箭從新西蘭的馬來(lái)西亞半島發(fā)射升空，但是在起飛后大約兩分半鐘，火箭第二級(jí)的姿態(tài)失控，發(fā)射失敗，損失掉了全部衛(wèi)星，其中包括兩顆黑色天空公司的小型對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。

▲ 在2020 年7 月4 日電子火箭發(fā)射失敗中損失掉的佳能衛(wèi)星

▲ 2021 年5 月發(fā)射失敗的電子號(hào)火箭

這次發(fā)射開(kāi)始前就不太順利，為了等待高空的風(fēng)力情況有所改善，電子號(hào)火箭在發(fā)射臺(tái)上等待了一個(gè)小時(shí)。第一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)按計(jì)劃完成了自己的工作，在大約75 千米的高度和第二級(jí)火箭分離，當(dāng)時(shí)的速度大概是每小時(shí)8200 千米。之后的程序應(yīng)該是第二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，由一臺(tái)盧瑟福發(fā)動(dòng)機(jī)噴射6 分鐘以上，然后到達(dá)預(yù)定軌道。但是在第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的時(shí)候，火箭的姿態(tài)似乎沒(méi)有辦法控制了。幾秒鐘后，二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，火箭的速度迅速下降?；鸺龑?shí)驗(yàn)室公司在遙測(cè)信號(hào)中斷后，停止了原來(lái)在推特上進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)直播，在經(jīng)過(guò)大約兩個(gè)小時(shí)的確認(rèn)之后，火箭實(shí)驗(yàn)室公司宣布發(fā)射失敗。按照原計(jì)劃，這枚火箭將通過(guò)三級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)，把兩顆黑色天空衛(wèi)星部署到距離地球430 千米高的軌道上。為了實(shí)施這次發(fā)射，電子號(hào)火箭采用了全新的適配器，叫做雙有效載荷適配器，兩顆衛(wèi)星在整流罩內(nèi)，是一上一下疊放的。

7 月19 日，火箭實(shí)驗(yàn)室公司宣布，自己找到了這次發(fā)射失敗的原因，主要是因?yàn)槎?jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)生了故障，導(dǎo)致星上計(jì)算機(jī)的信號(hào)中斷。計(jì)算機(jī)認(rèn)為火箭已經(jīng)不能夠正常工作，偏離了預(yù)定的參數(shù)，然后把發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉了?；鸺龑?shí)驗(yàn)室公司表示點(diǎn)火系統(tǒng)的這種故障，在以前的地面實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)生過(guò)，是在一整套獨(dú)特的環(huán)境和客觀條件下發(fā)生的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，工程師們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中重復(fù)了故障，并且為點(diǎn)火系統(tǒng)提供了冗余改變?cè)O(shè)計(jì)和制造方式，以此來(lái)防止問(wèn)題再次發(fā)生。

其實(shí)所有從事過(guò)正規(guī)火箭研制的工程技術(shù)人員，聽(tīng)到這條消息或許都會(huì)會(huì)心一笑：和所有的火箭研制單位一樣，電子實(shí)驗(yàn)室公司只是學(xué)費(fèi)交得不夠多而已。

▲ 損失掉的兩顆黑色天空衛(wèi)星

“織女星”也有不行的時(shí)候

如果說(shuō)上面這些火箭都是私營(yíng)企業(yè)研制的，工程師們?cè)谘邪l(fā)投入和總體經(jīng)驗(yàn)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現(xiàn)好一點(diǎn)兒？

事實(shí)上也沒(méi)有這么容易。2020 年11 月17 日，歐空局研制的織女星運(yùn)載火箭，運(yùn)載了一顆西班牙對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星和一顆法國(guó)科學(xué)衛(wèi)星，從法屬圭亞那庫(kù)魯航天中心起飛后，在即將進(jìn)入軌道的時(shí)候出現(xiàn)故障導(dǎo)致發(fā)射失敗，損失了差不多4 億美元的衛(wèi)星。

從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，“織女星”并不是一種很小的火箭，它的高度達(dá)到30 米，起飛重量100 多噸，屬于一種中型偏小的火箭。但是和歐空局的另外一種火箭“阿里安5”相比，它真的就是一種小火箭了。

發(fā)射當(dāng)天，織女星火箭起飛之后三級(jí)固體燃料火箭都工作正常，把衛(wèi)星送到了接近于每秒7600 米的速度，眼看就要進(jìn)入軌道了。但是火箭的第四級(jí)，也就是稱之為“姿態(tài)和游標(biāo)上面級(jí)”的火箭段沒(méi)有能夠正常工作。這個(gè)上面級(jí)應(yīng)該關(guān)機(jī)又開(kāi)機(jī)，進(jìn)行四次推進(jìn)，把載荷送進(jìn)大約676 千米高的預(yù)定軌道。這是一種采用液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的上面級(jí)?？偝邪淘诼暶髦姓f(shuō)，上面級(jí)發(fā)動(dòng)首次點(diǎn)火之后發(fā)生了異常，導(dǎo)致軌道偏離、任務(wù)失敗。上面級(jí)在沒(méi)有能夠正常點(diǎn)火之后，帶著衛(wèi)星逐步下墜，掉回地球。

織女星火箭雖然系出名門(mén)，但是成功率不算太高，在2019年的7月，“織女星”在為阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)發(fā)射一枚軍事衛(wèi)星的時(shí)候，沒(méi)有能夠進(jìn)入軌道。根據(jù)事后分析，是第二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的前部端蓋在高溫下失效，火箭解體。

我們現(xiàn)在回來(lái)說(shuō)這個(gè)液體燃料的上面級(jí)。它并不是由歐空局自己生產(chǎn)的，而是由烏克蘭生產(chǎn)的，采用了非常傳統(tǒng)的偏二甲肼和硝酸推進(jìn)劑。我們對(duì)這種燃料應(yīng)該非常熟悉，它就是長(zhǎng)征三號(hào)家族所采用的那種燃料。它們最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以在常溫常壓下存儲(chǔ)，而缺點(diǎn)就是有毒有害。烏克蘭在蘇聯(lián)時(shí)代在航天領(lǐng)域有崇高的聲望，但是冷戰(zhàn)結(jié)束至今，特別是2014 年烏克蘭內(nèi)戰(zhàn)爆發(fā)以后，社會(huì)局面動(dòng)蕩，經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重下滑。這是不是影響到了烏克蘭航天單位及其火箭工廠的工作質(zhì)量？目前還不能夠得出結(jié)論。

但是不管怎么說(shuō)，上面級(jí)是歐空局自己驗(yàn)收通過(guò)的。就算是制造當(dāng)中的質(zhì)量有問(wèn)題，驗(yàn)收的時(shí)候也應(yīng)該發(fā)現(xiàn)。那么這次火箭飛行失敗，確實(shí)不應(yīng)該完全歸咎于烏克蘭方面。

▲ 織女星火箭這次失敗損失了兩顆高價(jià)值衛(wèi)星