□ 松 鼠

2011年8月美俄等國家的航天發(fā)射都出現(xiàn)失敗，可以說是航天史上的一個黑色八月，巧合的是，2012年8月7日俄羅斯“質(zhì)子”火箭一箭雙星發(fā)射Express-MD2和印尼的Telkom-3時又遭遇失敗，雖然這只是2012年俄羅斯的首次航天發(fā)射失敗，但是近年來俄羅斯航天發(fā)射屢屢出現(xiàn)事故，特別是“質(zhì)子”火箭去年8月發(fā)射Express-AM4時最終衛(wèi)星入軌失敗，這不能不引起人們的思考。

“微風”-M上面級惹的禍

綜合美國和俄羅斯媒體的報道，這次發(fā)射中“微風”-M上面級按計劃將進行4次點火將兩顆衛(wèi)星送入地球靜止軌道，俄羅斯航天局的消息稱主發(fā)動機的第三次工作期間出現(xiàn)問題，第三次點火雖然按計劃進行，但預定的18分零5秒的工作時間僅僅開始了7秒，“微風”-M的主發(fā)動機即關(guān)閉，導致兩顆衛(wèi)星無法入軌。俄飛行控制中心稱兩顆衛(wèi)星進入了近地點266.7千米、遠地點5020千米的軌道，北美防空司令部的軌道參數(shù)顯示“微風”-M上面級和兩顆衛(wèi)星在近地點265千米、遠地點5018千米、傾角49.9°的橢圓軌道上。由于衛(wèi)星的軌道傾角過大、軌道高度太低，而且這兩顆衛(wèi)星預定是由“質(zhì)子”火箭直接送入地球靜止軌道，本身并沒有多強的變軌能力，此次發(fā)射任務(wù)甚至無法像2009年我國發(fā)射Palapa-D衛(wèi)星失利那樣，通過衛(wèi)星機動變軌進入靜止軌道。這兩顆衛(wèi)星將在未來再入大氣層燒毀，發(fā)射只能宣告失敗。對于“微風”-M上面級出現(xiàn)故障的原因，俄媒體最初報道認為發(fā)動機自動關(guān)機的原因是推進劑輸送管道堵塞，導致發(fā)動機渦輪泵工作異常，后來又認為推進劑箱的增壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，最終導致發(fā)動機自動關(guān)機。雖然官方尚未做出最后結(jié)論，但發(fā)射任務(wù)的失敗，“微風”-M上面級的責任是無法推卸的。

Express-MD2衛(wèi)星在廠房中

印尼的telkom-3在廠房中

Express-MD2衛(wèi)星

“質(zhì)子”火箭可靠嗎？

不同于蘇聯(lián)時代的財大氣粗，今天的俄羅斯并沒有那么多承受發(fā)射失敗的本錢，這次失敗后俄羅斯總理梅德韋杰夫發(fā)出警告，稱這是給航天大國抹黑，俄羅斯還成立了內(nèi)部委員會調(diào)查“質(zhì)子”火箭“微風”-M上面級事故的原因并總結(jié)經(jīng)驗教訓。不過以過去幾年的歷史看，“質(zhì)子”火箭雖然多次出現(xiàn)事故，但在商業(yè)發(fā)射和本國發(fā)射的雙重壓力下很快再次投入發(fā)射，這次失敗的調(diào)查更多是例行公事，如果一定要說可以進行什么有成效的改進的話，應該就是俄羅斯航天部門繼續(xù)狠抓質(zhì)量控制，但效果并不樂觀。冰凍三尺非一日之寒，“質(zhì)子”火箭的可靠性問題已經(jīng)困擾了蘇聯(lián)和俄羅斯幾十年了。

“質(zhì)子”火箭是蘇聯(lián)時代研制并廣泛應用的重型運載火箭，討論可靠性問題，“質(zhì)子”火箭的歷史和設(shè)計問題是難以回避的。1968年11月16日“質(zhì)子”火箭首次發(fā)射，此后它曾發(fā)射了“禮炮”1號到“禮炮”7號空間站、大型貨運飛船、和平號空間站的各個艙段、國際空間站的曙光和星辰號艙段，還發(fā)射了大量的靜止軌道衛(wèi)星以及蘇聯(lián)的一系列深空探測器，在航天史上可謂勞苦功高。俄羅斯繼承了蘇聯(lián)雄厚的航天工業(yè)，作為一個航天強國也具有極為強大的航天發(fā)射能力。自蘇聯(lián)時代開始航天發(fā)射以來，迄今為止聯(lián)盟火箭總發(fā)射數(shù)量超過1700次，還創(chuàng)造了連續(xù)133次成功發(fā)射的記錄，可靠性在運載火箭中獨占鰲頭?！百|(zhì)子”火箭是土星五號火箭之后、能源火箭之前一次性運載火箭的運力之王，發(fā)射數(shù)量迄今為止高達379次，其中336次發(fā)射成功，46次發(fā)射失敗。“質(zhì)子”火箭發(fā)射數(shù)量遙遙領(lǐng)先于緊隨其后的美國大力神3/4系列火箭，憑借蘇聯(lián)時代的高發(fā)射量和低廉的發(fā)射價格，蘇聯(lián)解體后“質(zhì)子”火箭成為商業(yè)發(fā)射市場的主力運載火箭之一。美國洛克希德馬丁公司與俄羅斯赫魯尼切夫設(shè)計局以及能源公司共同組建了國際發(fā)射服務(wù)公司，承攬商業(yè)通信衛(wèi)星發(fā)射，直到今天仍與阿里安公司并稱為國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射的雙雄。

雖然“質(zhì)子”火箭是商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場的主力之一，但它的發(fā)射成功率并不出色，姑且不論蘇聯(lián)時代“質(zhì)子”火箭早期連續(xù)發(fā)射失敗的歷史，成熟后的“質(zhì)子”火箭也只有約90%的成功率。如果只統(tǒng)計使用“微風”-M上面級的“質(zhì)子”火箭的話，發(fā)射成功率更不樂觀，62次發(fā)射中就有6次失敗，其中5次失敗源自“微風”-M上面級的故障。在去年8月和今年8月的兩次失敗之間，“質(zhì)子”火箭已經(jīng)進行了11次成功發(fā)射，其中10次發(fā)射使用“微風”-M上面級。在管理和質(zhì)量控制水平?jīng)]有顯著提高的條件下，考慮到“質(zhì)子”火箭和“微風”-M上面級的歷史表現(xiàn)，今年8月7日的發(fā)射失敗并不令人奇怪，保險公司也習以為常，遠不到俄羅斯媒體尤其是總理梅德韋杰夫渲染的失去聲望的程度。盡管這次發(fā)射失敗算不上什么災難，但是“質(zhì)子”火箭發(fā)射成功率的問題，仍然是值得關(guān)注的，到底是哪些因素影響了“質(zhì)子”火箭的可靠性呢？

印尼的telkom-3衛(wèi)星

“質(zhì)子”-M火箭發(fā)射失敗

高軌道發(fā)射場的影響

1999年“質(zhì)子”火箭的“微風”-M上面級首次服役，它源自轟鳴火箭(Rokot)的微風-K上面級?！拔L”-M上面級大幅度提高了“質(zhì)子”火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道和靜止軌道運載能力，入軌精度上也有所提高?！拔L”-M上面級高2.61米、直徑4.0米，質(zhì)量約2.37噸，攜帶的偏二甲肼/四氧化二氮可存儲推進劑總質(zhì)量約19.8噸?！拔L”-M上面級具體可以分為兩個部分：中央模塊、環(huán)形附加推進劑儲箱。中央模塊包括儀器艙、推進劑儲箱和發(fā)動機，攜帶約5.2噸的推進劑，是“微風”-M上面級的核心部分，其中發(fā)動機包括一臺推力約2噸的14D30主發(fā)動機，另有四臺11D458M推力調(diào)節(jié)發(fā)動機和12臺17D58E姿態(tài)控制發(fā)動機。中央模塊外的環(huán)形輔助附加模塊可以看作副油箱，其自重約1噸攜帶了約14.6噸的推進劑，這些推進劑耗盡后附加推進劑儲箱將會被拋棄以降低上面級的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，這樣的設(shè)計可以顯著提高同步轉(zhuǎn)移軌道和靜止軌道運載能力?！拔L”-M上面級的14D30主發(fā)動機最多可進行8次點火，上面級滑行時間最長可超過24小時，配合可拋棄輔助推進劑箱的設(shè)計，是一種設(shè)計十分巧妙的上面級。不過話說回來，“微風”-M上面級使用偏二甲肼/四氧化二氮推進劑，主發(fā)動機真空比沖只有326秒，運力無法與使用液氧液氫推進劑的上面級相比。為了盡可能提高運力，其設(shè)計過于復雜，無論是可拋棄的輔助推進劑儲箱，還是過多的點火次數(shù)和過長的滑行時間，都降低了上面級的固有可靠性，這是“質(zhì)子”/“微風”-M火箭頻繁出現(xiàn)事故的重要原因。

在執(zhí)行近地軌道發(fā)射任務(wù)時，“質(zhì)子”火箭使用三級火箭構(gòu)型，而在發(fā)射靜止軌道衛(wèi)星時則使用了四級火箭的設(shè)計。由于使用三級火箭的設(shè)計，外加使用高壓補燃循環(huán)發(fā)動機，“質(zhì)子”火箭的近地軌道運載系數(shù)較高，與之相比“質(zhì)子”火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運力并不出色。四級的“質(zhì)子”火箭可粗略看作發(fā)射近地軌道載荷的三級“質(zhì)子”火箭增加一個上面級，“質(zhì)子”火箭原始設(shè)計上更適合近地軌道任務(wù)，而沒有對發(fā)射同步轉(zhuǎn)移軌道載荷進行多少優(yōu)化，進入同步轉(zhuǎn)移軌道和靜止軌道主要依靠上面級實現(xiàn)，這是其同步轉(zhuǎn)移軌道運力不高的一個原因。發(fā)射“質(zhì)子”火箭的拜科努爾發(fā)射場存在緯度過高的問題，發(fā)射靜止衛(wèi)星時需要更多的速度增量改變軌道傾角，嚴重影響了“質(zhì)子”火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運力，這是“質(zhì)子”火箭同步轉(zhuǎn)移軌道運力不足、“微風”-M上面級需要多次點火的重要原因。

“質(zhì)子”/“微風”-M火箭可將22噸的載荷送入國際空間站高度300多千米，傾角51.6度的軌道，根據(jù)轉(zhuǎn)移到地球靜止軌道的速度增量(ΔV)不同，它可將質(zhì)量從5.25噸到7.5噸的載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，它還具備將最高3.7噸的載荷直接送入地球靜止軌道的能力?！百|(zhì)子”/“微風”-M火箭的前三級和“質(zhì)子”M火箭基本一致，它最大的特點是增加可多次啟動的“微風”-M上面級，顯著提高了火箭的運載能力和使用的靈活性?！百|(zhì)子”/“微風”-M火箭長度約60米，直徑約4.1米，整流罩靜態(tài)包絡(luò)直徑為3.87米，火箭起飛質(zhì)量約705噸?！百|(zhì)子”/“微風”-M火箭第一級由一個裝有四氧化二氮的中央儲箱和外側(cè)圍繞的六個偏二甲肼燃料儲箱組成，燃料儲箱底部各裝有一臺RD-276分級燃燒循環(huán)發(fā)動機，“質(zhì)子”火箭第一級地面起飛推力約1000多噸，發(fā)動機工作時間約2分鐘。“質(zhì)子”/“微風”-M火箭的第二級為3臺RD-0210和一臺RD-0211發(fā)動機，它們均為分級燃燒循環(huán)發(fā)動機，也仍然使用偏二甲肼/四氧化二氮推進劑，其總推力約245噸，工作時間約3.5分鐘?！百|(zhì)子”/“微風”-M火箭的第三級為一臺RD-0213發(fā)動機，其推力約59.5噸，工作時間約4分鐘?！百|(zhì)子”/“微風”-M火箭最后的一段則是“微風”-M上面級，具備多次點火能力，可以多次變軌將衛(wèi)星送入同步轉(zhuǎn)移軌道甚至靜止軌道。

“微風”-M上面級的5次失敗占了“質(zhì)子”/“微風”-M火箭6次發(fā)射失敗的絕大部分，從80/20法則看，“微風”-M上面級是制約“質(zhì)子”/“微風”-M火箭發(fā)射成功率的最主要原因。“質(zhì)子”火箭尤其是“微風”-M上面級成功率不高，還有俄羅斯基礎(chǔ)工業(yè)實力不濟的原因。盡管在很多人的印象里，蘇聯(lián)和俄羅斯都是一個工業(yè)尤其是航天工業(yè)極其發(fā)達的國家，但蘇聯(lián)強大的航天工業(yè)都更多體現(xiàn)在運載火箭而不是衛(wèi)星、探測器等載荷上，無論是傳統(tǒng)的材料、機械、電氣領(lǐng)域還是新興的電子工業(yè)，蘇聯(lián)的技術(shù)水平都與西方發(fā)達國家存在不小的差距。蘇聯(lián)解體后俄羅斯工業(yè)遭受了崩潰性的打擊，不僅無法盡快追趕技術(shù)差距，還出現(xiàn)了去工業(yè)化現(xiàn)象，并導致大量人才的流失和工業(yè)生產(chǎn)能力的衰亡，航天部門雖然依靠外國訂單維持下來，但零部件供應體系和質(zhì)量監(jiān)管體系仍然受到不小的破壞。

拜科努爾發(fā)射場

“質(zhì)子”-M火箭簡介

火箭設(shè)計是主要問題

“質(zhì)子”火箭分為多種型號，蘇聯(lián)解體后使用的型號主要包括三級運載火箭“質(zhì)子”-K、“質(zhì)子”-M和四級運載火箭“質(zhì)子”-K/Block DM、“質(zhì)子”-K/“微風”-M和“質(zhì)子”-M/“微風”-M等型號，雖然俄美聯(lián)合的國際發(fā)射服務(wù)公司早期曾使用“質(zhì)子”-K/Block DM火箭，但俄羅斯目前進行靜止軌道通信衛(wèi)星的型號是“質(zhì)子”-M/“微風”-M火箭，不做特殊說明的話，一般直接稱之為“質(zhì)子”/“微風”-M火箭。

推薦理由：公認的“澳洲酒王”，澳洲西拉葡萄酒典范國寶級酒莊頂級酒款，WE99極強陳年能力，最佳年份可陳年50年以上

過多的火箭級數(shù)和多次點火長時間滑行的上面級，不可避免的帶來了固有可靠性的下降?！百|(zhì)子”火箭發(fā)射成功率穩(wěn)定在90%左右，級數(shù)更少的聯(lián)盟火箭卻達到了約97%。從兩種俄羅斯運載火箭的對比看，“質(zhì)子”火箭發(fā)射成功率難以進一步提高，火箭設(shè)計是最主要的原因。

“質(zhì)子”-M運載火箭

“質(zhì)子”-M運載火箭轉(zhuǎn)場

工業(yè)實力不濟、質(zhì)量監(jiān)管混亂

基于2005-2014年長三角地區(qū)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，表4報告了制造業(yè)結(jié)構(gòu)影響因素的回歸結(jié)果，回歸時采用固定效應模型，具體面板回歸結(jié)果見表4。

國家重大體制的改革，使原國土資源部門的事權(quán)發(fā)生了根本性的變化，單純的行政管理職能已轉(zhuǎn)為對自然資源所有權(quán)的行使主體。為自然資源綜合管理提供服務(wù)支撐，未知空間很大。

比較表3和表4發(fā)現(xiàn)，兩種零件的優(yōu)化結(jié)果在成本變化量上存在較大差異，且零件B大于零件A。這是因為零件B成本范圍的基數(shù)比A更大，在相同的成本調(diào)控方式下，B能減少的成本量更大。零件A的成本基數(shù)本來已經(jīng)很小，即使引入成本調(diào)控，改變零件加工成本，可以影響的值也有限。

蘇聯(lián)解體后俄羅斯航天工業(yè)長期以來甚至沒有嚴格的驗收制度，其質(zhì)量監(jiān)管的混亂可見一斑。俄羅斯航天工業(yè)質(zhì)量控制水平下降的問題，已經(jīng)通過最近幾年多次在成熟的火箭上出現(xiàn)低級錯誤體現(xiàn)出來，這其中不僅有對發(fā)射失敗習以為常的“質(zhì)子”火箭，甚至聯(lián)盟火箭也“不甘落后”。2011年8月俄羅斯使用聯(lián)盟火箭發(fā)射進步號貨運飛船，但火箭第二級發(fā)動機出現(xiàn)推進劑輸送管路堵塞，推進劑無法正常輸送發(fā)動機關(guān)機，最終發(fā)射任務(wù)失敗，這本是地面監(jiān)測應該發(fā)現(xiàn)的問題。去年8月發(fā)射Express-AM4衛(wèi)星的“質(zhì)子”火箭也遭遇失敗，事后調(diào)查指出生成飛行時序時導航周期設(shè)定過短，導致三軸穩(wěn)定平臺解算位置錯誤，最終失去遙測信息并進入錯誤的軌道，這更是發(fā)射準備的低級錯誤。今年8月的“質(zhì)子”火箭發(fā)射，“微風”-M上面級儲箱的氣動增壓系統(tǒng)發(fā)生故障，導致推進劑無法流入燃燒室，俄羅斯航天局前局長波米諾夫就認為是質(zhì)量控制的人為因素引起的。以上事故很難說是運載火箭的設(shè)計問題，而更多是質(zhì)量控制的問題，體現(xiàn)了俄羅斯航天工業(yè)監(jiān)督管理的松弛和從業(yè)工人水平的下滑，這種慢性失血雖然不明顯，但已經(jīng)在啃噬俄羅斯航天工業(yè)的基礎(chǔ)。

與俄羅斯航天的困境類似，中國航天也曾遭遇發(fā)射失敗的低谷，但通過后來的一系列整頓，以嚴抓質(zhì)量管理和產(chǎn)品檢測，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計提高檢測診斷能力，成功的實現(xiàn)了連續(xù)數(shù)十次的發(fā)射成功，這說明即使原始設(shè)計不夠合理，運載火箭的可靠性仍是可以進一步提高的。俄羅斯未來將采取什么樣的措施提高“質(zhì)子”火箭發(fā)射成功率，是我們也十分關(guān)注的問題。如果“質(zhì)子”火箭可以進一步提高成功率，對同樣基于20世紀60年代技術(shù)的現(xiàn)有長征火箭，將是很有參考價值的。