張 婭

北京時間2018年10月11日16時40分，載有俄羅斯阿列克謝奧·夫奇寧和美國尼克·黑格兩名航天員的聯(lián)盟 MS－10載人飛船由聯(lián)盟－FG運載火箭從哈薩克斯坦拜科努爾發(fā)射場發(fā)射升空。出乎意料的是，火箭一子級一個捆綁助推器分離失敗，乘員艙以彈道式再入方式下落，所幸船上兩名航天員緊急啟動應急逃逸系統(tǒng)成功逃生。本次事故是自1983年以來首次因運載火箭故障導致載人飛船發(fā)射失敗的案例。更為諷刺的是，俄羅斯專門挑選10月11日作為發(fā)射日，因為當天是俄羅斯航天骨干企業(yè)、生產(chǎn)“聯(lián)盟”載人飛船的能源生產(chǎn)設計聯(lián)合體成立100周年紀念日。

1 引言

2018年3月，“拋物線弧”（Parabolic Arc）網(wǎng)站曾發(fā)布了一份數(shù)據(jù)統(tǒng)計報告，指出過去30年中，俄羅斯航天任務共失敗60次，平均每年要失敗2次。報告還特別指出，回顧過去十年，較為嚴重的航天事故是向國際空間站運送物資的3艘進步 M飛船折損、歐洲“伽利略”衛(wèi)星導航星座下的兩顆衛(wèi)星被送入錯誤軌道，以及發(fā)射“福布斯-土壤”時致中俄合作研制的火星探測器損毀，而聯(lián)盟 MS－10載人任務的失敗再次令一直為頻發(fā)航天故障困擾的俄羅斯航天工業(yè)雪上加霜,這進一步破壞了對俄羅斯運載能力、乃至太空能力的信任。

2011－2018年，俄羅斯航天發(fā)射次數(shù)總計225次（含歐洲“聯(lián)盟”及海射公司“天頂”），發(fā)射事故高達18次，故障率8%，其中“聯(lián)盟”火箭8次居首位（含部分失敗2次），“質(zhì)子”火箭7次（含部分失敗1次），“轟鳴”2次（含部分失敗1次）以及“天頂”1次?？傮w來看，俄羅斯故障體現(xiàn)了兩個集中：一是時間集中，如僅2011年一年就有4起發(fā)射失敗，而2015年20天不到就出現(xiàn)了兩起發(fā)射失利；二是型號集中，僅“聯(lián)盟”和“質(zhì)子”兩型火箭就占到了失利總數(shù)的83%。

2 故障類型分析

設計故障

一般來說，設計故障多發(fā)生在研制階段的初期及開始使用階段，或發(fā)生在更換新系統(tǒng)或新部件后的頭幾次飛行，而隨著飛行次數(shù)的遞增，故障將逐漸地減少并趨于穩(wěn)定。不過，成熟火箭也會因設計故障發(fā)射失敗，典型的是2014年8月22日，阿里安航天公司采用聯(lián)盟 ST火箭發(fā)射“伽利略”任務失敗的案例。此次事故的根本原因并非質(zhì)量控制不嚴抑或是制造問題，而是火箭配備的“弗雷蓋特”（Fregat）上面級熱動態(tài)要求在研制階段只考慮了短時燃燒的工況，并未考慮到各子級系統(tǒng)間的熱傳遞，致使官方的指導文件讓裝配工人在排布燃料管路時靈活性較大。在“伽利略”任務中，由于入軌過程延長，從而導致燃料管路布置不當引發(fā)推力器肼燃料凍結(jié)，燃料供給中斷，衛(wèi)星被送入錯誤軌道。無獨有偶，2015年4月28日，聯(lián)盟-2-1a火箭發(fā)射進步M－27M時箭、船分離異常，也是因為在研制過程中僅單一考慮了火箭和航天器各自的動力學特性，未充分考慮星箭匹配后組合體產(chǎn)生的新特性，因而未能在火箭系統(tǒng)的設計、試驗工作中充分重視連接結(jié)構(gòu)。

俄羅斯發(fā)射事故統(tǒng)計圖（2011－2018年）

2015年5月“質(zhì)子”火箭/“墨西哥通信衛(wèi)星”衛(wèi)星進場

聯(lián)盟－2－1b/Fregat發(fā)射流星－M

推進系統(tǒng)故障

推進系統(tǒng)原本就是運載火箭上最易發(fā)生故障的部分，在運載火箭發(fā)射失敗案例中，由發(fā)動機故障引起的通常占一大半。以故障發(fā)生最多的“質(zhì)子”火箭為例，在2014年和2015年皆因火箭三子級渦輪泵葉片在高溫下發(fā)生損耗，造成葉片失衡，進而導致三子級游動發(fā)動機超過振動負載，加之平衡系統(tǒng)不穩(wěn)定，發(fā)動機提前關閉，星箭俱毀。事實上，1988年1月火箭就因此原因發(fā)射失敗，介于當時的火箭發(fā)動機未配備負載傳感器，未能查明事故的真正原因。另外，從2006－2018年，“質(zhì)子”火箭發(fā)射總數(shù)達100次，失敗11次，失敗率高達11%，其中7次均為上面級故障，“微風”上面級就占到了6次，這充分說明俄羅斯的歸零工作不到位，質(zhì)量監(jiān)管體系存在重大問題。

人為故障

人為故障一般是在制造、裝配、測試過程中質(zhì)量控制不嚴造成的故障，偶發(fā)性和隨機性強。俄羅斯近年來頻發(fā)的航天事故與此難脫干系。最為典型的案例是2013年7月質(zhì)子-M/DM-03運載火箭在發(fā)射3顆“格洛納斯”（GLONASS）導航衛(wèi)星時，因工人在裝配時將火箭一子級上6個角速度傳感器中的3個安裝顛倒，導致火箭控制系統(tǒng)發(fā)出指令錯誤，星箭均在發(fā)射場炸毀。在后續(xù)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，俄羅斯尚無在發(fā)射前防范此類錯誤的相關規(guī)定，而箭上傳感器早在2011年就已安裝完畢，又未拍攝安裝全過程，相關責任方自然無法追溯。事實上，2010年12月俄羅斯也曾采用質(zhì)子－M/DM－03運載火箭發(fā)射3顆GLONASS-M衛(wèi)星，由于燃料加注出錯，星箭俱毀。2016年12月進步 MS－04貨運飛船發(fā)射失敗的根本原因也是發(fā)動機內(nèi)部有異物進入，導致氧化劑貯箱破裂爆炸，故障性質(zhì)為人為事故。最為諷刺的當數(shù)2017年11月28日未能入軌的流星-M氣象衛(wèi)星，竟然因上面級制導參數(shù)未按照實際發(fā)射的新建東方發(fā)射場設定，而是慣性思維直接沿用了往常從哈薩克斯坦拜科努爾發(fā)射場發(fā)射的參數(shù)，完全屬于人為疏忽大意，并非技術問題，令人啼笑皆非。

3 故障原因綜合分析

經(jīng)濟及政治形勢日益惡化

20世紀90年代,俄羅斯向市場經(jīng)濟過渡的混亂局面就使俄羅斯的太空計劃陷入了困境。雖然俄羅斯運載火箭在衛(wèi)星發(fā)射市場上具有強大的競爭力，但聯(lián)邦政府在升級發(fā)射設施和開發(fā)新太空技術方面嚴重缺乏投資，這使得俄羅斯一直面臨吃老本的局面。世界油價的暴跌使俄羅斯經(jīng)濟遭受重創(chuàng)，這使得預算本就不足的俄航天預算進一步縮水，俄羅斯10年的航天預算僅與NASA大約1年的預算相當，在這樣的情況下，俄羅斯航天自然很難健康發(fā)展。2014年烏克蘭危機爆發(fā)后，俄羅斯遭遇了經(jīng)濟制裁與政治抵制，俄羅斯航天工業(yè)面臨的局勢更加窘迫。據(jù)2018年6月俄羅斯衛(wèi)星網(wǎng)（Sputnik）國家新聞機構(gòu)報道，俄羅斯航天國家集團公司（Roscosmos）很有可能在未來3年（2019－2021年）面臨高達1500億盧布（超20億美元）的資金缺口，這將使本就面臨困境的俄羅斯發(fā)射業(yè)再度陷入危機。

現(xiàn)代化質(zhì)量監(jiān)管體系缺失，技術、管理歸零不到位

盡管每次事故后俄羅斯均會信誓旦旦地發(fā)表聲明，嚴查故障原因，追究責任人，并實施行之有效的管控措施來杜絕航天事故的再次發(fā)生，但其一而再、再而三地發(fā)生故障，且均集中在成熟型號上，這不得不更讓國內(nèi)外質(zhì)疑俄羅斯航天產(chǎn)品的質(zhì)量管理體系。迄今，上至俄航天局局長、下至重要航天研究和生產(chǎn)企業(yè)的負責人都被更換過，事實證明，這種尋找“替罪羊”的辦法并不能阻止事故再次發(fā)生，高頻的航天事故已經(jīng)不是單純的質(zhì)量事故，而折射出更多俄羅斯航天的痼疾。蘇聯(lián)時期，俄羅斯航天一直是由軍方管理，蘇聯(lián)解體后，俄羅斯原有的軍事化領導體制在政治體制轉(zhuǎn)型過程中解體，迫于經(jīng)濟壓力，航天從軍隊中脫離出來，成立了聯(lián)邦航天局，作為專門的政府機構(gòu)來管理航天產(chǎn)業(yè)。監(jiān)管機制“去軍事化”后，俄羅斯并未設立獨立的測試機構(gòu)來檢驗產(chǎn)品，而是由相應的軍工生產(chǎn)企業(yè)自行完成，這種“既當考生又當考官”的制度顯然不能保證航天產(chǎn)品的質(zhì)量，反而使故障漸成“常態(tài)”。多個航天器的折戟沉沙，幾乎都與航天產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督不力和生產(chǎn)部門責任不明有很大關系。目前看來，俄羅斯并未向現(xiàn)代化質(zhì)量控制體系過渡，也無適當?shù)臅娉绦蚩梢苑婪稿e誤。經(jīng)驗豐富的老一代工程師也已退休，而新一代年輕人也從未進行任何系統(tǒng)的培訓。若想重振俄羅斯航天業(yè)，行業(yè)內(nèi)部必須“刮骨療傷”，建立嚴格的質(zhì)量管理體系。

生產(chǎn)能力及配套發(fā)射服務難以滿足高密度發(fā)射需求

單從規(guī)模上來看，俄羅斯繼承了蘇聯(lián)航天業(yè)90%的資產(chǎn)，算得上“家大業(yè)大”，但由于歷史原因，俄羅斯多型現(xiàn)役火箭雖標屬俄羅斯，實際上是由俄羅斯、烏克蘭與哈薩克斯坦共同參與研制，火箭部件也非全部由俄羅斯生產(chǎn)，因此想要全盤掌控，絕非易事。隨著單型火箭發(fā)射密度的增加，暴露的問題越來越多。以質(zhì)子－M/微風－M火箭為例，最初年發(fā)射次數(shù)約2次/年，自2006年開始增加，最多達到12次/年，無獨有偶，也正是從這一年開始，該型火箭幾乎年年都出現(xiàn)發(fā)射失利。2016年年底，俄羅斯又發(fā)現(xiàn)制造廠家在粘結(jié)“質(zhì)子”火箭二子級和三子級發(fā)動機零件時使用了錯誤焊料，不得不將58臺發(fā)動機返廠進行重新評估，造成“質(zhì)子”長時間停飛。從某種程度上而言，這可以說明俄羅斯運載火箭的整體航天發(fā)射能力根本不能滿足高密度發(fā)射的需求，直接或間接誘發(fā)了發(fā)射活動中事故隱患的出現(xiàn)。質(zhì)量控制問題以及SpaceX公司的崛起，使俄羅斯在發(fā)射市場的主導地位受到了挑戰(zhàn)。2016年俄羅斯全球發(fā)射總數(shù)僅排名第三，2017年盡管發(fā)射總數(shù)增加至21次，但按歷史標準來看仍然很低,而2018年俄羅斯僅發(fā)射20次，大幅落后于中國（39次）和美國（34次）。在GEO商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場，曾經(jīng)的老大哥“質(zhì)子”火箭已經(jīng)排在獵鷹－9和“阿里安”之后，而保險市場已經(jīng)認定“質(zhì)子”火箭10次發(fā)射必定有1次失敗，這成為保險商的定價依據(jù)。俄羅斯似乎已經(jīng)無力挽回批量客戶流失、保費增加的局面，在商業(yè)發(fā)射市場上份額持續(xù)減少。

航天基礎工業(yè)嚴重老化，人才流失、斷層現(xiàn)象嚴重

俄羅斯航天國家集團認為，相比發(fā)達國家，俄羅斯航天經(jīng)費投入嚴重不足。在航天研究和發(fā)展方面，俄羅斯的資金投入只有發(fā)達國家的十分之一，在基礎設施和人員培訓方面的投入只有發(fā)達國家的五分之一。俄羅斯三分之一的軍工企業(yè)已倒閉，70%的生產(chǎn)技術已經(jīng)過時，超過半數(shù)的生產(chǎn)模具已在超時服役。在人員配置方面，老齡化現(xiàn)象非常嚴重，員工的平均年齡為50歲，在一些國防產(chǎn)業(yè)研究中心員工的平均年齡甚至超過60歲。航天經(jīng)費逐年下滑，基礎工業(yè)嚴重老化，人才流失、斷層現(xiàn)象非常嚴重。羅戈津早就指出，2007－2011年，美國以航天火箭技術發(fā)展為題的科技著作有716部，歐盟有658部，而俄羅斯只有132部。俄羅斯的航天活動也幾乎沒有新的亮點，一直處在吃老本的狀態(tài)。

管理改革收效甚微，經(jīng)費支配仍不合理

俄羅斯總統(tǒng)普京早就指出俄羅斯軍工業(yè)發(fā)展滯后，航天產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)存在問題，要求采取“強有力且涵蓋范圍廣”的路線實現(xiàn)“躍進”式發(fā)展。2016年1月1日，原聯(lián)邦航天局與聯(lián)合火箭航天公司合并，組建了俄羅斯航天國家集團公司，其目的包括清除冗余工業(yè)能力、優(yōu)化質(zhì)量控制流程等。羅戈津曾宣布要裁掉現(xiàn)有25萬員工中的10萬，再每年招收1萬名大學畢業(yè)生，為航天注入新鮮血液。目前來看，俄羅斯航天國家集團公司的成立似乎并未緩解俄羅斯航天的困境。最近5年來，俄羅斯航天火箭以及防空導彈等領域的骨干企業(yè)大幅改組，各種集團和財團不停拆分、重組，在這一過程中由于牽涉到很多利益集團，丑聞也層出不窮。另外，俄羅斯的經(jīng)費管理也不如人意。一家俄監(jiān)察機構(gòu)宣布僅2014年一年俄羅斯航天項目就浪費了18億美元，俄羅斯決策者還不斷從航天預算中抽取經(jīng)費支援軍事項目，或是用于東方發(fā)射場、被占領的克里米亞航天設施等項目。東方發(fā)射場的建筑商正是索契冬奧會場館的建設者，其工程進度拖沓、質(zhì)量不過關，也受到了關于其貪腐的質(zhì)疑。

4 啟示

強化航天型號可靠性工作及全過程質(zhì)量控制，深入推進航天精細化質(zhì)量管理

成功是航天事業(yè)的生命，但成功不等于成熟，成熟不等于可靠。如今太空發(fā)射服務的競爭愈加激烈，確保進入空間必須提供完備的航天發(fā)射服務。面對目前高強密度發(fā)射的需求，強化航天型號可靠性工作及全過程質(zhì)量控制，推進精細化質(zhì)量管理才是確保航天型號一次成功的重要保證。特別要注意，必須要把控好火箭的研制、裝配、試驗、運輸?shù)拿總€環(huán)節(jié)，即使針對成熟火箭也必須要有一個再認識、再分析，特別還有一個再確認的過程。只有有效控制火箭產(chǎn)品的質(zhì)量，完善制造驗收體系，提高研制管理水平，才能確保每發(fā)成功。

發(fā)射活動屬高風險行業(yè)，配備至少兩個系列運載火箭,確保航天裝備和空間探索活動持續(xù)發(fā)展

隨著運載技術的發(fā)展，運載火箭的故障率相比早期急劇下降，航天活動的安全性越來越高，但是航天發(fā)射屬高風險行業(yè)，運載火箭在研制、生產(chǎn)、試驗及使用過程中，由于外部各種苛刻條件與內(nèi)部各系統(tǒng)固有缺陷的綜合作用，不可避免會有故障發(fā)生。因此，航天發(fā)射的高風險性決定了至少配備兩個系列的運載火箭的必要性。從某種意義上而言，火箭允許失敗，但國家安全來不得半點閃失。美國就認為只有一種發(fā)射國家安全類有效載荷的方式是對國家安全的重大威脅。除此之外，適度競爭還有助于促進技術發(fā)展，增強企業(yè)健康。建議我國在部署新一代運載火箭型譜時重點支持國內(nèi)兩家運載火箭總體單位，發(fā)展至少兩型運載火箭，以確保國家進入空間的能力。