龍雪丹 曲晶 姜舒展（ 北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所， 6886部隊(duì)）

美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）利用其主要產(chǎn)品獵鷹－9（Falcon－9）火箭在國(guó)際商業(yè)航天發(fā)射領(lǐng)域具備了較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。該型火箭自投入使用以來已完成60次發(fā)射，獲得58次成功，以96.7%的完全成功率，得到業(yè)界認(rèn)可，但期間也遭遇過兩次失利及一次部分成功。本文回顧了獵鷹－9火箭的歷次故障，并詳細(xì)介紹了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）對(duì)2015年發(fā)射故障的調(diào)查情況。

1 歷次故障情況

獵鷹－9火箭自投入使用以來，至2018年8月末共執(zhí)行60次發(fā)射，其中58次完全成功，1次失敗，1次部分成功，另外還有一次在射前靜電火過程中發(fā)生爆炸事件，為SpaceX敲響了警鐘，商業(yè)發(fā)射的可靠性問題不容忽視。

一子級(jí)故障致次要任務(wù)未入軌

2012年10月7日，SpaceX公司的獵鷹－9火箭攜帶“龍”飛船和次要載荷——“第二代軌道通信衛(wèi)星星座”（OG2）衛(wèi)星在卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，首次正式執(zhí)行國(guó)際空間站商業(yè)貨運(yùn)任務(wù)。按計(jì)劃，火箭應(yīng)在釋放“龍”飛船后經(jīng)二子級(jí)第二次點(diǎn)火將OG2衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，但在火箭飛行約79s后，獵鷹－9火箭1臺(tái)一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)突然失壓并關(guān)機(jī)，所幸故障發(fā)動(dòng)機(jī)未發(fā)生爆炸，并能持續(xù)收到其數(shù)據(jù)，其他8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常。因此，國(guó)際空間站任務(wù)未受影響。但由于火箭一子級(jí)發(fā)生故障，因此需延長(zhǎng)火箭剩余發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間來保證完成空間站補(bǔ)給任務(wù)，最終造成火箭二子級(jí)二次點(diǎn)火燃料余量未達(dá)到NASA安全規(guī)定，SpaceX公司被迫放棄火箭二子級(jí)二次點(diǎn)火，次要載荷OG2衛(wèi)星被迫置于錯(cuò)誤軌道上，最終墜落地球。

事故原因現(xiàn)已查明，但限于NASA保密協(xié)議，SpaceX公司未公開故障原因。獵鷹－9火箭在飛行中遭遇一子級(jí)1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效的考驗(yàn)，但并未影響主要任務(wù)，證明獵鷹－9火箭系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)和檢測(cè)調(diào)整系統(tǒng)是有效可行的。

使用外包產(chǎn)品程序不嚴(yán)格導(dǎo)致CRS－7發(fā)射失利

2015年6月28日， SpaceX的獵鷹－9－1.1火箭攜帶“龍”飛船及貨物升空，這是SpaceX公司的第7次國(guó)際空間站商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)（CRS－7）,將要為國(guó)際空間站送去1952kg物資。然而發(fā)射當(dāng)天，火箭在起飛2min19s后，頭部開始出現(xiàn)濃霧并逐漸包圍箭體，隨后開始有碎片迸出，“龍”飛船脫離火箭。發(fā)射后2min27s，火箭和飛船隨后劇烈爆炸，此時(shí)地面控制中心仍持續(xù)接收到來自“龍”飛船的遙測(cè)信號(hào)，直至其墜落至地平線以下。

CRS-7任務(wù)發(fā)生爆炸

2015年11月，SpaceX調(diào)查組向美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）提交了故障調(diào)查最終報(bào)告。報(bào)告指出：在一子級(jí)工作期間，火箭二子級(jí)液氧貯箱中的復(fù)合材料纏繞壓力容器（COPV）支架失效，引起氦氣泄漏，最終導(dǎo)致液氧貯箱因壓力過大而破裂。該支架是由一家外部供應(yīng)商提供的。

2018年3月12日，NASA獨(dú)立評(píng)估小組公布了事故的最終調(diào)查結(jié)論。 調(diào)查報(bào)告指出，SpaceX并未選擇采用標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格的航空航天級(jí)部件，只選擇了工業(yè)級(jí)部件，并且在沒有對(duì)其進(jìn)行充分的篩選或測(cè)試的情況下進(jìn)行使用，沒有考慮制造商在使用其工業(yè)級(jí)部件時(shí)的4∶1安全系數(shù)的建議，并且沒有根據(jù)預(yù)估的飛行條件對(duì)部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕；蜻m當(dāng)?shù)妮d荷測(cè)試。該設(shè)計(jì)錯(cuò)誤與獵鷹－9火箭CRS－7任務(wù)發(fā)射失敗直接相關(guān)，最終釀成事故。

射前地面點(diǎn)火試驗(yàn)事故造成星箭俱毀

2016年9月1日，SpaceX公司按照發(fā)射流程，在卡納維拉爾角空軍基地的第40發(fā)射工位（SLC－40）對(duì)獵鷹－9火箭進(jìn)行整箭地面靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)。為預(yù)計(jì)在9月3日進(jìn)行的以色列AMOS－3衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)做準(zhǔn)備。點(diǎn)火前8min，火箭在加注過程中出現(xiàn)意外，從火箭二子級(jí)開始起火爆炸，星箭俱毀。

經(jīng)調(diào)查，事故原因是SpaceX改變了液氧貯箱內(nèi)增壓氦氣瓶的充氣流程，采用了溫度更低的氦氣。氦氣瓶為復(fù)合材料纏繞壓力容器，內(nèi)膽材料為鋁，外層包裹碳纖維復(fù)合材料，浸泡在－207℃的超低溫液氧。事故中采用的氦氣充氣流程會(huì)使超低溫液氧滲入碳纖維復(fù)合材料層與內(nèi)膽之間并固化，引起碳纖維層與氧氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氦氣瓶破裂爆炸。事故后，SpaceX公司將氦氣瓶充氣流程恢復(fù)至以往的技術(shù)狀態(tài)，提高氦氣溫度，并計(jì)劃改進(jìn)氣瓶設(shè)計(jì)防止液氧滲入。

2 對(duì)CRS－7任務(wù)故障調(diào)查分析

兩個(gè)小組分別展開調(diào)查

在2015年故障發(fā)生后，根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局認(rèn)證需求、NASA發(fā)射服務(wù)項(xiàng)目（LSP）合同要求和NASA相關(guān)政策要求，由SpaceX主導(dǎo)的故障調(diào)查委員小組（SpaceX AIT）和NASA獨(dú)立評(píng)估小組（NASA IRT）分別對(duì)事故進(jìn)行了調(diào)查。

2015年11月，SpaceX調(diào)查組向美國(guó)聯(lián)邦航空管理局提交了故障調(diào)查最終報(bào)告。報(bào)告指出：在一子級(jí)工作期間，火箭二子級(jí)液氧貯箱中的氦氣瓶支架失效，引起氦氣泄漏，最終導(dǎo)致液氧貯箱因壓力過大而破裂。該支架是由一家外部供應(yīng)商提供的。SpaceX公司因此對(duì)支架的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，并將支架材料更換為鎳基合金。

另一方面，NASA獨(dú)立評(píng)估小組對(duì)CRS－7任務(wù)中發(fā)生的失敗事件進(jìn)行獨(dú)立調(diào)查。其主要職責(zé)包括：①獨(dú)立評(píng)估導(dǎo)致CRS－7任務(wù)失敗的事件（即，制定獨(dú)立的事件時(shí)間表，獨(dú)立審查故障樹，對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立評(píng)估）；②確保所提出的糾正措施得到落實(shí)；③驗(yàn)證SpaceX AIT的調(diào)查工作；④通知NASA的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，以支持SpaceX重返發(fā)射活動(dòng)；⑤確定并提出如何研發(fā)、運(yùn)行和獲取更可靠系統(tǒng)的建議。

NASA獨(dú)立評(píng)估小組的調(diào)查

此次事故的異常事件發(fā)生在800～900ms的時(shí)間范圍內(nèi)，因此，為了確定決定性事件的時(shí)序，NASA獨(dú)立評(píng)估小組對(duì)CRS－7任務(wù)的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了獨(dú)立分析，并獨(dú)立制定了毫秒級(jí)事件的詳細(xì)時(shí)間表，獨(dú)立分析了獵鷹－9系統(tǒng)，并評(píng)估了SpaceX的故障樹。除了獵鷹－9的二子級(jí)以外，評(píng)估小組還對(duì)SpaceX測(cè)試的所有可能引發(fā)關(guān)機(jī)的故障樹模塊（即一子級(jí)、推進(jìn)系統(tǒng)、電氣、“龍”飛船系統(tǒng)等）進(jìn)行了獨(dú)立分析、評(píng)估和審查。NASA獨(dú)立評(píng)估小組對(duì)獵鷹－9系統(tǒng)的評(píng)估完全獨(dú)立于SpaceX，對(duì)整個(gè)飛行過程中各個(gè)系統(tǒng)的遙測(cè)數(shù)據(jù)做出獨(dú)立的判斷，并通過多個(gè)工程審查委員會(huì)來審查獵鷹－9系統(tǒng)和數(shù)據(jù)。最后，NASA獨(dú)立評(píng)估小組得出結(jié)論，除了二子級(jí)故障樹模塊之外的所有模塊都可能造成關(guān)機(jī)，基于對(duì)發(fā)射前和發(fā)射過程中收集的獵鷹－9遙測(cè)數(shù)據(jù)的詳細(xì)評(píng)估和分析，以及對(duì)捕獲發(fā)射和失敗的攝影和視頻媒體的審查，確定獵鷹－9故障的直接（或近似）原因是二子級(jí)氧箱的破裂。NASA獨(dú)立評(píng)估小組還對(duì)SpaceX調(diào)查組開發(fā)和研究的“主要失效情景”（即：二子級(jí)氧箱內(nèi)的COPV失去固定，并擊中氧箱箱底圓頂導(dǎo)致其破裂）進(jìn)行了獨(dú)立的詳細(xì)審查。

此外，經(jīng)過對(duì)其他可能發(fā)生的失效模式進(jìn)行研究，評(píng)估小組最終確定兩種可能失效模式，其中每一種都可能促成COPV失去固定或與其同時(shí)發(fā)生。對(duì)這兩種故障模式描述如下：液氧輸送管路的隧道管可能發(fā)生泄漏，該泄漏從二子級(jí)的液氧箱向下通過二子級(jí)煤油箱并最終進(jìn)入二子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。

故障模式1：假設(shè)煤油（RP－1）泄漏到液氧輸送管路外部的隧道管，使液氧升溫，從而導(dǎo)致液氧噴出。然而，通過熱分析很快確定了（泄漏到液氧輸送管路外部隧道管的）RP－1的熱量不足以影響到液氧輸送管路中的液氧溫度。后經(jīng)過建模和分析發(fā)現(xiàn)，在RP－1未泄漏至液氧輸送管路外部的隧道管之前，液氧已從輸送管路泄漏至隧道管。這樣，環(huán)繞在液氧輸送管路周圍的RP－1就能夠傳遞足夠的熱量使液氧氣化，并最終溢出。這成為了故障模式2。評(píng)估小組迅速利用馬歇爾太空飛行中心的資源，建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，并進(jìn)行了測(cè)試，以驗(yàn)證該故障模式中的熱傳遞的假設(shè)。經(jīng)過為期兩周的測(cè)試后，評(píng)估小組能夠確定故障模式2中有更多的熱量傳遞，但仍不足以在800～900ms的時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)起噴射事件。

NASA獨(dú)立評(píng)估小組最終驗(yàn)證了大部分在800～900ms失效時(shí)間段內(nèi)得到的115個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)（但仍有9個(gè)數(shù)據(jù)沒有被驗(yàn)證），得出的最終結(jié)論為：

1）二子級(jí)氧箱破裂的直接原因是二子級(jí)氧箱內(nèi)的 COPV脫離固定。

2）引發(fā)的原因是支撐COPV的軸向支撐失效，繼而COPV脫離固定，最終導(dǎo)致二子級(jí)氧箱內(nèi)的氣態(tài)氦（GHe）輸送管路系統(tǒng)破裂。

3）COPV軸向支撐支柱的螺紋鑄造不銹鋼吊環(huán)螺栓（桿端）在上升載荷作用下斷裂，從而使COPV從其支座脫離，由于浮力而加速，從而以巨大的力量沖擊氧箱箱底。

4）值得注意的是，NASA獨(dú)立評(píng)估小組與SpaceX調(diào)查組的調(diào)查結(jié)果顯示的直接原因是一致的，不同之處在于事故的根本原因。SpaceX公司在其調(diào)查報(bào)告中將“材料缺陷”標(biāo)識(shí)為桿端斷裂的“最可能”原因，然而，NASA獨(dú)立評(píng)估小組并不認(rèn)為“材料缺陷”是“最可能”的原因，而是將“桿端制造損壞”、“桿端支柱錯(cuò)誤安裝”、“桿端附帶損傷”和“軸向撐桿其他部位斷裂”均視為導(dǎo)致COPV失去支撐的可疑因素。最后NASA獨(dú)立評(píng)估小組認(rèn)定：此次失敗是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的，即：SpaceX公司在關(guān)鍵部件上選擇使用工業(yè)級(jí)（不同于航天級(jí)）17-4 PH SS（沉淀硬化不銹鋼）鑄件（桿端）。并在未對(duì)工業(yè)級(jí)部件進(jìn)行充分的篩選或測(cè)試的情況下進(jìn)行使用，未考慮制造商對(duì)使用其工業(yè)級(jí)部件時(shí)的4∶1安全系數(shù)的建議，并且未根據(jù)預(yù)估的飛行條件對(duì)部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕；蜻m當(dāng)?shù)妮d荷測(cè)試。這種設(shè)計(jì)錯(cuò)誤與獵鷹－9火箭CRS－7發(fā)射失敗直接相關(guān)。

液氧箱中的桿端、支柱和氫氣瓶

5）雖然NASA LSP沒有對(duì)SpaceX CRS計(jì)劃進(jìn)行評(píng)估，但由于LSP已向SpaceX授出“高價(jià)值”NASA有效載荷的發(fā)射服務(wù)合同，并且SpaceX公司近期正在進(jìn)行NASA“二類載荷”發(fā)射認(rèn)證活動(dòng),因此 NASA LSP對(duì)獵鷹－9－1.1火箭已經(jīng)進(jìn)行了充分調(diào)研。

6）糾正措施還解決了SpaceX和NASA LSP調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)的其他問題。

7）該結(jié)論同時(shí)適用于獵鷹－9－1.2火箭。

最終技術(shù)結(jié)論和建議

結(jié)合故障調(diào)查的最后結(jié)果,NASA獨(dú)立評(píng)估小組給出了具體的技術(shù)結(jié)論和建議。如果全面實(shí)施，能夠防止類似的故障再次發(fā)生，并提高獵鷹－9運(yùn)載火箭的可操作性。

NASA獨(dú)立評(píng)估小組識(shí)別的技術(shù)結(jié)論

NASA獨(dú)立評(píng)估小組識(shí)別的技術(shù)建議

3 小結(jié)

SpaceX公司成立不過短短的16年時(shí)間，就已在世界范圍內(nèi)掀起了波瀾和震動(dòng)，其主要競(jìng)爭(zhēng)力來自于其金牌產(chǎn)品——獵鷹－9火箭。若該公司想在世界航天發(fā)射市場(chǎng)上繼續(xù)占據(jù)優(yōu)勢(shì)，贏得用戶的信賴，就必須保持較高的完全成功率，證明其高可靠性。

對(duì)其歷次故障情況回顧能夠發(fā)現(xiàn)，獵鷹－9火箭系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)和檢測(cè)調(diào)整系統(tǒng)整體來講是有效可行的。造成失利的原因往往是由于新技術(shù)、新材料的應(yīng)用以及對(duì)選用部件的質(zhì)量控制沒有做到位。

從2015年CRS－7故障調(diào)查過程可以看出，NASA在對(duì)商業(yè)發(fā)射事故調(diào)查中遵循了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局認(rèn)證需求、NASA發(fā)射服務(wù)項(xiàng)目合同要求和NASA相關(guān)政策要求，由SpaceX主導(dǎo)的故障調(diào)查委員小組和NASA獨(dú)立評(píng)估小組分別對(duì)事故進(jìn)行調(diào)查，最終給出具有可行性的改進(jìn)措施，從而保證事故調(diào)查的全面性、準(zhǔn)確性和客觀性。