徐映霞 王霄 （北京空間科技信息研究所）

進步 MS－04貨運飛船發(fā)射失敗原因分析

Analysis on the Reasons of Launch Failure for Cargo Ship Progress MS－04

徐映霞 王霄 （北京空間科技信息研究所）

莫斯科時間2016年12月1日，聯(lián)盟－U（Soyuz－U）運載火箭搭載進步 MS－04（Progress MS－04）貨運飛船從哈薩克斯坦拜科努爾發(fā)射場發(fā)射升空，原計劃于12月3日對接“國際空間站”（ISS）星辰號（Zvezda）服務(wù)艙。然而，在起飛后383s時，火箭遙測突然消失。這是俄羅斯一年半以來發(fā)生的首次重大航天事故。初步掌握的資料顯示，本次事故讓俄羅斯航天國家集團（ROSCOSMOS）蒙受超過40億盧布（約合6300萬美元）的經(jīng)濟損失。2017年1月11日，俄羅斯航天國家集團宣布了進步 MS-04貨運飛船發(fā)射失敗的可能原因。

1 事故基本情況及原因初步分析

事故基本情況

此次任務(wù)計劃采用在軌飛行2天、繞地球34圈的飛行程序，正常情況下，飛船應(yīng)于莫斯科時間12月3日17：18：23開始與“國際空間站”自主交會過程，于19：43：06對接星辰號服務(wù)艙。

聯(lián)盟－U火箭和進步 MS－04貨運飛船在垂直起飛后，以51.66°的軌道傾角朝赤道飛行。第一級的4個助推級在飛行118s時與火箭分離，第二級點火，大約飛行159s時拋離整流罩，飛行285s時第二級關(guān)機，由第三級繼續(xù)提供飛行動力。直到382s一直處于正常飛行狀態(tài)，然而383s時火箭遙測突然中斷。

俄羅斯任務(wù)控制中心的報道稱，根據(jù)聯(lián)盟－U火箭的標準上升剖面，第三級火箭的RD－0110發(fā)動機應(yīng)在飛行8min46s時關(guān)機，3s后與“進步”飛船分離，但這兩個發(fā)射成功的標志性事件在實時遙測讀數(shù)中均未得到確認。俄羅斯國家航天集團在12月1日的聲明中也確認，與火箭的通信在飛行6min23s時中斷，此時“聯(lián)盟”火箭的高度預(yù)計約190km，火箭第三級本應(yīng)繼續(xù)點火2min23s。

在預(yù)期的分離時間之后收到飛船的間歇信號，確認“航向”（KURS）導(dǎo)航天線已展開，但未能確定太陽電池翼是否展開，只能使用無線電跟蹤來確定飛船的軌跡。

另據(jù)俄羅斯媒體報道，在距拜科努爾航天發(fā)射場約2000km的圖瓦共和國人口稀少的偏遠地區(qū)上空觀測到一次爆炸，地面震顫，伴有碎片墜落，爆炸時間和地點與聯(lián)盟－U火箭第三級的飛行軌跡剛好吻合。在圖瓦的偏遠林區(qū)還發(fā)現(xiàn)了進步 MS－04飛船的殘骸。

莫斯科時間20：39，俄羅斯航天國家集團宣布其跟蹤設(shè)施未在預(yù)定軌道監(jiān)測到進步 MS－04飛船。根據(jù)初步信息，發(fā)射異常發(fā)生在圖瓦共和國人煙稀少和崎嶇區(qū)域、高度190km的上空，大部分飛船碎片在再入大氣層時燒毀。

此次發(fā)射是聯(lián)盟－U火箭退役前的倒數(shù)第二次發(fā)射，最后一次計劃在2017年初發(fā)射，之后將由新一代聯(lián)盟－2系列火箭替代。此次發(fā)射是2016年俄羅斯第3次、也是最后一次向“國際空間站”運送貨物，同時這是“進步”飛船第156次執(zhí)行貨運任務(wù)，也是第67次執(zhí)行“國際空間站”貨運任務(wù)。

初步分析

俄羅斯航天國家集團已經(jīng)成立了調(diào)查委員會，著手調(diào)查聯(lián)盟－U運載火箭通信異常的原因。初步分析顯示，直至飛行383s遙測數(shù)據(jù)消失前沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。

2017年1月11日，俄羅斯航天國家集團宣布了進步 MS－04貨運飛船發(fā)射失敗的可能原因。這次事故是由于聯(lián)盟－U火箭第三級與飛船未能按計劃分離導(dǎo)致。第三級火箭的RD－0110發(fā)動機（編號為11D55）出現(xiàn)故障，導(dǎo)致氧化劑泵起火并解體之后，運載火箭第三級氧化劑貯箱解體。氧化劑泵起火并解體的原因可能是由于11D55發(fā)動機裝配過程中的違規(guī)行為，使泵腔內(nèi)摻入外來的顆粒物，使得該泵的軸與連接套筒之間、浮動密封環(huán)和葉輪之間出現(xiàn)錯誤間隙，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失衡并震動。

“進步”飛船近年發(fā)射故障情況

近年來，“進步”飛船遭遇3次失敗。第一次是在2011年8月聯(lián)盟－U火箭發(fā)射進步 M－12M飛船時發(fā)生的，當時調(diào)查委員會確定的事故原因是：推進劑管路堵塞，導(dǎo)致RD－0110發(fā)動機推進劑壓力下降，箭載計算機檢測到壓力下降后，發(fā)指令使火箭第三級提前325s關(guān)機。

“進步”飛船第二次故障是在2015年4月發(fā)射進步 M－27M飛船時發(fā)生的，火箭第三級關(guān)機時，改進的第三級結(jié)構(gòu)和進步 M－27M飛船之間出現(xiàn)意外碰撞，導(dǎo)致飛船嚴重受損。雖然飛船已經(jīng)入軌，但無法從失控狀態(tài)恢復(fù)，因而未能完成貨運任務(wù)。

此次發(fā)射最初定于2016年7月1日，但隨后“國際空間站”的一系列任務(wù)均遭遇推遲，使發(fā)射時間推遲到10月20日，之后再次推遲到2016年12月1日。

進步 MS－04飛船最后的發(fā)射準備活動是從11月17日開始的。11月22日完成飛船的推進劑加注。11月24日，飛船安裝到運載火箭適配器上。1天后，對飛船進行最終檢查，然后將飛船裝到整流罩內(nèi)。11月27日，有效載荷段開始與火箭第三級集成，然后上面級組合體與聯(lián)盟－U火箭連接。全部組裝完成后的第二天，運載火箭移到發(fā)射臺。

聯(lián)盟－U火箭和用于發(fā)射“聯(lián)盟”載人飛船的聯(lián)盟－FG火箭都使用同樣的“弗雷蓋特”（Fregat）上面級，2周前發(fā)射聯(lián)盟 MS－03飛船、6周前發(fā)射聯(lián)盟 MS－02飛船時，上面級都表現(xiàn)出卓越的性能。

2 聯(lián)盟－U火箭及進步 MS－04飛船介紹

聯(lián)盟－U火箭

“聯(lián)盟”系列運載火箭由進步國家火箭航天科研中心（TsSKB-Progress）研制，從R－7導(dǎo)彈發(fā)展而來。聯(lián)盟－U火箭于1973年首飛，已經(jīng)服役40余年，飛行次數(shù)達775次，成功率超過97%，是服務(wù)年代最長、軌道發(fā)射次數(shù)最多的火箭，并且被認為是發(fā)射市場最可靠的火箭之一。“聯(lián)盟”系列火箭是目前唯一具備“國際空間站”載人運輸能力的運載火箭。

目前，“聯(lián)盟”系列火箭還有聯(lián)盟－U、2、FG火箭在用。俄羅斯官方計劃停用聯(lián)盟－U火箭，從2014年開始逐步由更先進的聯(lián)盟－2系列火箭替代。聯(lián)盟－2系列火箭上使用了現(xiàn)代化的飛行控制和制導(dǎo)系統(tǒng)，改進了制造過程，聯(lián)盟－U火箭上的許多部件仍將在聯(lián)盟－2系列火箭上繼續(xù)使用。

聯(lián)盟－U本身用于近地軌道和太陽同步軌道發(fā)射，增加上面級后，可用于包括地球同步轉(zhuǎn)移軌道的多種軌道發(fā)射。目前，聯(lián)盟－U火箭主要用于“進步”貨運飛船發(fā)射，完成“國際空間站”運輸補給任務(wù)，偶爾也用于發(fā)射軍事偵察衛(wèi)星。

進步 MS－04飛船

進步 MS飛船在進步 M－M飛船的基礎(chǔ)上，使用了數(shù)字航空電子設(shè)備。飛船包括3個艙：貨艙、補給燃料艙和儀器-服務(wù)艙。

進步 MS飛船使用新的航向－NA（Kurs－NA）交會系統(tǒng)替代了原來的航向－A交會系統(tǒng)，以提高對接過程的可靠性和安全性；并用AO－753A型天線替代2AO－VKA和AKR－VKA型天線，保留了原來的2ASF－M－VKA天線；新的SUD飛行控制系統(tǒng)可通過俄羅斯“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”（GLONASS）導(dǎo)航衛(wèi)星自主測量交會軌跡，不需再通過地面站進行測量；通信系統(tǒng)使用無線電指令系統(tǒng)（EKTS）取代了老的量子－B（Kvant－B）系統(tǒng)，從而能夠通過“射線”數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星實現(xiàn)飛船與俄羅斯地面站的實時聯(lián)絡(luò)，地面站既可通過“射線”衛(wèi)星，也可直接向飛船發(fā)送命令并接收遙測數(shù)據(jù)；飛船還增加了流星體防護系統(tǒng)、閃電防護系統(tǒng)、新的發(fā)光二極管照明系統(tǒng)SFOK、改進的BDUS－3A型角速度傳感器；對接口增加了備用電動驅(qū)動機構(gòu)；采用新的數(shù)字電視系統(tǒng)取代了舊的“交喙鳥”（Klest）模擬電視，飛船和空間站可通過船上無線電頻道聯(lián)絡(luò)。

另外，從第3艘進步 MS飛船開始，飛船可選裝立方體衛(wèi)星釋放裝置。

此次，進步 MS－04飛船載有2442kg的貨物，包括用于俄羅斯航天員艙外活動的改進型海鷹-國際空間站航天服（Orlan－MKS）、微型溫室以及水和尿循環(huán)使用實驗系統(tǒng)等。

3 后續(xù)影響

“國際空間站”內(nèi)的6位航天員在12月1日已經(jīng)得知進步 MS－04貨運飛船發(fā)射失敗，并且處之泰然。目前在沒有貨物到達的情況下，“國際空間站”內(nèi)的必備物品儲備足以用到2017年3月，水和食物等關(guān)鍵物資可維持到2017年6月初。

2016年12月9日，日本成功發(fā)射了H－2轉(zhuǎn)移飛行器，并于12月13日與“國際空間站”成功對接。后續(xù)的運輸補給計劃包括：2017年3月發(fā)射軌道-ATK公司的“天鵝座”飛船，2017年初，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“龍”飛船也將回歸發(fā)射。俄羅斯的“進步”飛船原定于2017年2月1日再度發(fā)射，但可能會因此次發(fā)射失敗而調(diào)整。后續(xù)發(fā)射次數(shù)也會根據(jù)空間站貨物儲存狀況調(diào)整，需要的話會在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上有所增加。

另外，“聯(lián)盟”火箭分別在2016年10月19日和11月17日將6名航天員運達“國際空間站”，最早的返航時間應(yīng)在2017年5月中旬，因此，即使此次“聯(lián)盟”火箭的故障分析需要持續(xù)一段時間，也應(yīng)不會影響航天員的運送。

4 幾點分析

進步 MS－04失事前的2016年11月27日，俄羅斯副總理德米特里·羅戈津還在政府工作會上表示，目前俄羅斯已經(jīng)擺脫了“失敗、令人遺憾的事故與災(zāi)難的陰霾”?；仡櫠砹_斯近年來航天工業(yè)發(fā)展，不難看出，航天事故并非“偶然”，仍有其深層次原因。

改革治標不治本，質(zhì)量監(jiān)管不到位

2011年以來，俄羅斯連續(xù)發(fā)生的5次重大航天事故引起高層官員高度重視，此后，俄羅斯開始逐漸探索本國航天工業(yè)的改革之路。2014年，俄羅斯總統(tǒng)普京批準羅戈津的改革提案，組建聯(lián)合-火箭航天集團（ORKK）開啟首輪改革，主要包括股份制改造，產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級，企業(yè)重組合并，希望通過建立現(xiàn)代的企業(yè)制度來提升管理效率，增強競爭力。2015年，俄羅斯開啟第二輪改革，撤并俄羅斯聯(lián)邦航天局（Roscosmos）和聯(lián)合-火箭航天集團，成立俄羅斯航天國家集團，以期通過建立兼具“行政職能”和“企業(yè)角色”的國家集團來提升競爭力，恢復(fù)航天大國實力。

但實際上，俄羅斯的航天工業(yè)改革雖然“大刀闊斧”，卻未能根治內(nèi)部頑疾。質(zhì)量監(jiān)管不到位，俄羅斯在軌測試和運行中暴露出來的航天器故障問題越來越多，大多數(shù)都歸因于缺少地面試驗，過分依賴計算，沒有進行全尺度的試驗，同時俄羅斯航天的整個試驗基礎(chǔ)設(shè)施也過于陳舊，亟待更新和重建；俄羅斯國產(chǎn)設(shè)備技術(shù)水平不足和技術(shù)實際應(yīng)用程度低的現(xiàn)象一直存在，如今設(shè)備和技術(shù)老化的缺陷已是有目共睹；此外，俄羅斯航天業(yè)內(nèi)部貪污腐敗不絕，一系列航天事故的發(fā)生牽扯出航天業(yè)內(nèi)部貪污腐敗案件，貪腐問題仍然十分嚴重；改革之后，行業(yè)內(nèi)部得到統(tǒng)一，但壟斷現(xiàn)象更加嚴重，原本應(yīng)受到扶持的私人航天企業(yè)無法得到切實發(fā)展，航天商業(yè)化發(fā)展艱難且緩慢，外部競爭全部來自其他國家，本國相關(guān)企業(yè)不存在競爭，這對企業(yè)自身發(fā)展并無益處。

預(yù)算經(jīng)費不足，人才斷檔嚴重

對于俄羅斯航天目前存在的問題，俄羅斯航天研究院院士謝爾蓋·茹科夫認為，俄羅斯航天業(yè)當前的瓶頸主要在于機制缺乏、人才斷檔和經(jīng)費緊張。政府、科研機構(gòu)和企業(yè)之間協(xié)調(diào)機制建設(shè)滯后，長期以來，俄羅斯航天局（現(xiàn)俄羅斯航天國家集團）需要自己制定發(fā)展目標并承擔責任，所以傾向于選擇保守路線。俄羅斯國家杜馬工業(yè)委員會主席索布科稱，20世紀90年代，航天領(lǐng)域許多科學家和工程師失業(yè)改行，導(dǎo)致現(xiàn)在能夠擔任業(yè)務(wù)骨干和核心領(lǐng)導(dǎo)的技術(shù)人員明顯不足。據(jù)俄羅斯《武器出口》雜志報道，目前俄羅斯航天領(lǐng)域一線工作人員中奇缺中年專家，有40%以上年齡超過60歲，另有35%為年輕人。

目前，俄羅斯面臨的復(fù)雜經(jīng)濟形勢無疑讓航天事業(yè)雪上加霜。2015年，俄羅斯用于航天領(lǐng)域活動的政府財政預(yù)算減少了10%?！?016－2025年聯(lián)邦航天計劃》的預(yù)算從2萬億盧布削減到約1.4萬億盧布。由于預(yù)算總額減少以及匯率變化等原因,俄羅斯航天國家集團公司還被迫削減了2016－2025年“國際空間站”維護費用近300億盧布，計劃將每年發(fā)射4次“進步”貨運飛船減少至每年3次。經(jīng)費總額減少導(dǎo)致研發(fā)經(jīng)費不足，進而導(dǎo)致整個生產(chǎn)研制過程無法達到預(yù)計標準。

王曉宇/本文編輯