文/ 松堂

自從人類發(fā)明運(yùn)載火箭并正式投入使用，發(fā)射記錄表上成功的多、失敗的少。但這少數(shù)失敗卻觸目驚心，特別是一些重要型號的發(fā)射失敗甚至影響了歷史走向。導(dǎo)致火箭發(fā)射失敗的原因是多方面的，從歷史上失敗的案例分析，管理狀況、氣候條件、設(shè)計(jì)問題、材料使用等因素都會對火箭發(fā)射的成功與否產(chǎn)生重大影響。我們從歷史上選出一些案例，希望有助于讀者理解火箭這種工業(yè)產(chǎn)品的重要特性。

▲ 格洛納斯衛(wèi)星

▲ 質(zhì)子M 火箭

人的影響

火箭發(fā)射時，需要大量人員參與工作。這時候發(fā)射流程的設(shè)計(jì)，人員的管理和工作態(tài)度在很大程度上影響著發(fā)射的成功與否，發(fā)射中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏都可能導(dǎo)致任務(wù)失敗。

燃料加太多了也不行

2010 年12 月5 日，俄羅斯國家航天集團(tuán)公司在拜科努爾航天中心為質(zhì)子-M 火箭的發(fā)射作準(zhǔn)備。這是升級版的新火箭，準(zhǔn)備把3 顆格洛納斯導(dǎo)航衛(wèi)星送入太空。

加注燃料的技術(shù)人員并沒有被告知，這個版本的火箭燃料儲箱比以前的質(zhì)子火箭更大，于是一連串災(zāi)難開始了。他們依然使用過時的程序，給上面級加滿液氧——整整1.5 噸。

這個錯誤是致命的。當(dāng)上面級試圖把衛(wèi)星送入軌道時，因?yàn)樽约旱闹亓刻蠖鵁o法完成任務(wù)。上面級帶著3 顆衛(wèi)星脫離航道，墜入太平洋。

這個教訓(xùn)不僅告訴人們，加注燃料的時候要看說明書，而且火箭技術(shù)升級的過程要引起高度重視。改進(jìn)硬件當(dāng)然是非常重要的，但要注意相應(yīng)修改整個發(fā)射準(zhǔn)備流程。

▲ 東方港航天發(fā)射場的發(fā)射塔架

▲ 東方航天港發(fā)射場和拜科努爾發(fā)射場的位置關(guān)系

軟件沒更新的后果

東方港航天發(fā)射場本應(yīng)是俄羅斯皇冠上的新明珠，成為21 世紀(jì)俄羅斯航天活動的重要中心。然而，它陷入了財(cái)務(wù)丑聞和腐敗的泥潭。因此，俄羅斯需要在這里舉行一次成功的發(fā)射來挽回聲譽(yù)。2017 年11 月27 日，東方港實(shí)施了第二次發(fā)射。

這次發(fā)射的主要有效載荷是一顆叫做Meteor-M2-1 的氣象衛(wèi)星。然而，當(dāng)火箭把衛(wèi)星和上面級送入軌道，一起滑行的時候，衛(wèi)星信號消失了。

衛(wèi)星并沒有向更高的軌道飛行，而是正在墜落。按照設(shè)計(jì)，“微風(fēng)”上面級要在點(diǎn)火前取得正確的姿態(tài)。這取決于上面級是不是能夠正確測定自己的高度和姿態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)這個目的，“微風(fēng)”采用了GPS 和格洛納斯衛(wèi)星信號。

然而，編制軟件的程序員卻沒有更新軟件，還是按照從拜科努爾發(fā)射場發(fā)射來設(shè)定的，結(jié)果上面級和衛(wèi)星一起掉進(jìn)了大西洋。

氣候的影響

氣候?qū)教彀l(fā)射的影響也是非常大的。我們經(jīng)?？梢钥吹礁鞣N因?yàn)樘鞖庥绊懲七t發(fā)射的報(bào)道。除了需要關(guān)注發(fā)射窗口期的天氣狀況，整個發(fā)射場周圍的空氣狀況、環(huán)境溫度也是需要考慮的問題，不然也有可能引發(fā)嚴(yán)重的事故。

被鹽霧腐蝕的“獵鷹1 號”

夸賈林環(huán)礁位于夏威夷西南2500 英里處的太平洋中部。美國空軍有時會從加利福尼亞州發(fā)射一枚洲際導(dǎo)彈，墜落到這個環(huán)礁里，以此來測試導(dǎo)彈性能。但是這樣的試驗(yàn)并不經(jīng)常進(jìn)行，所以，美國太空探索技術(shù)公司就在這里租用了一塊平地來測試自己的火箭。

2006 年3 月，馬斯克創(chuàng)立太空探索技術(shù)公司4 年后，公司技術(shù)人員準(zhǔn)備發(fā)射一枚獵鷹1 號火箭。 在發(fā)射前幾周的測試中，火箭一直矗立在發(fā)射臺上，暴露在充滿鹽霧的空氣中。3 月26 日，“獵鷹1 號”準(zhǔn)備攜帶著美國空軍學(xué)院的有效載荷飛向太空。

但是當(dāng)準(zhǔn)備點(diǎn)火前兩秒，推進(jìn)劑閥門打開時，一個鋁制螺母忽然脫落，導(dǎo)致燃料泄出?；鸺c(diǎn)火升空34 秒后，泄露的燃料起火燒穿了一條氣動管線，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火。隨后的分析顯示，鹽霧腐蝕了鋁合金，削弱了螺母的強(qiáng)度，使其在發(fā)射壓力下失效，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)射失敗。

▲ 豎立在發(fā)射臺上的“獵鷹1 號”

▲ 太平洋上的夸賈林環(huán)礁

被凍壞的挑戰(zhàn)者號

1986 年1 月27 日， 航 天飛機(jī)固體火箭發(fā)動機(jī)項(xiàng)目主管艾倫·麥克唐納的面前放著一張紙，上面說挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)可以在第二天早上安全發(fā)射，但他沒有簽字。

他的猶豫與溫度有關(guān)。他向美國宇航局建議，當(dāng)溫度低于53華氏度時，不應(yīng)發(fā)射航天飛機(jī)。當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報(bào)顯示氣溫為25華氏度，固體助推器能承受的最低氣溫是50 華氏度，所以他沒有簽字。

麥克唐納主要擔(dān)心O 型環(huán)，它布置在環(huán)繞固體助推器殼體的位置上，以密封里面的氣體。麥克唐納預(yù)測，由于低溫，密封圈可能在發(fā)射過程中失效，可能導(dǎo)致航天飛機(jī)在發(fā)射臺上爆炸。

但是，美國宇航局無視他的警告，還是打算讓挑戰(zhàn)者號起飛，發(fā)射時溫度是華氏36 度，眼尖的觀測者看到密封圈的裂口泄漏出煙霧，O 型環(huán)失效了。但煙霧很快又消失了，這是因?yàn)楣腆w燃料的添加劑里有鋁。燃燒產(chǎn)生的氧化鋁填充到橡膠失效形成的空洞里，暫時封住缺口。

然而這只是暫時的。挑戰(zhàn)者號升空后，強(qiáng)風(fēng)不斷沖擊著它。飛行了大約一分鐘后，風(fēng)切變撕裂了O 型環(huán)上的破洞，火焰從固體火箭助推器中噴涌而出，加速擴(kuò)散。強(qiáng)大的空氣動力把航天飛機(jī)的燃料儲箱和軌道器完全撕裂。包括麥克唐納在內(nèi)的目擊者驚恐地后退著。解體后的固體火箭并沒有熄火，它在空中一邊旋轉(zhuǎn)一邊噴射，展示出一幅可怕的場景。

航天飛機(jī)上的7 名航天員全部死亡。挑戰(zhàn)者號災(zāi)難的教訓(xùn)是顯而易見的，也是痛苦的。像發(fā)射載具這樣的高精度設(shè)備是經(jīng)過精心優(yōu)化的，只能在特定的環(huán)境和條件下工作。不能滿足這些條件，就要推遲發(fā)射。

▲ 點(diǎn)火升空的挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)

▲ 挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)在升空過程中爆炸

▲ 俄羅斯發(fā)射兩顆Kanopus-ST 遙感衛(wèi)星

▲ Kanopus-ST 衛(wèi)星

設(shè)計(jì)缺陷的影響

火箭的設(shè)計(jì)肯定是保障火箭發(fā)射成功的重中之重，在構(gòu)成火箭的成千上萬個零部件中，任何一個微小的細(xì)節(jié)沒有考慮到，都有可能引發(fā)嚴(yán)重的后果。

不肯松開的夾子

2015 年12 月5 日，俄羅斯發(fā)射了兩顆叫做Kanopus-ST 的衛(wèi)星。據(jù)說這是一對氣象衛(wèi)星，但是西方研究者認(rèn)為它們分別攜帶了微波輻射計(jì)和高分辨率相機(jī)，是兩顆偵察衛(wèi)星。發(fā)射過程看起來一切順利，但是第二顆衛(wèi)星和火箭分離時卻出了問題。

一共有4 個夾子把衛(wèi)星固定在“伏爾加”上面級上。其中只有3 個打開了，還有一個卻紋絲不動。工程師們束手無策，因?yàn)闆]有緊急分離的設(shè)置。塔斯社援引俄羅斯軍方消息人士的話稱：“技術(shù)開發(fā)人員沒有設(shè)想在電驅(qū)動活塞機(jī)構(gòu)無法解鎖的情況下使用的緊急算法?！?/p>

衛(wèi)星和上面級圍繞著地球旋轉(zhuǎn)了好幾天，最終落回大氣層燃燒，燒焦的碎片落入了大西洋。

腦血栓的上面級

有時一個小小的設(shè)計(jì)缺陷會帶來很大的麻煩。

2014 年8 月22 日的一次發(fā)射就是這樣。歐洲版聯(lián)盟火箭從法屬圭亞那發(fā)射兩顆伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星，火箭起飛后飛行正常，直到“微風(fēng)”上面級出現(xiàn)問題?；鸺谒募壖础拔L(fēng)”上面級使用肼燃料，而肼在華氏35 度就會結(jié)冰。考慮“微風(fēng)”要在低溫下飛行，因此必須采取措施來為肼儲箱保溫。

但“微風(fēng)”內(nèi)部有著危險(xiǎn)的設(shè)計(jì)。有兩條管路部署在同一個支護(hù)結(jié)構(gòu)上，一條用來輸送肼，一條用來輸送低溫氦。氦管路降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度，同樣也降低了肼管道的溫度，里面的肼凍結(jié)了。就像血栓一樣，凍結(jié)的肼阻斷了流動，上面級失去了推力，導(dǎo)致兩顆功能正常的衛(wèi)星進(jìn)入了錯誤軌道。

▲ 聯(lián)盟火箭從法屬圭亞那的庫魯航天中心發(fā)射升空

▲ 微風(fēng)上面級將衛(wèi)星釋放到太空

省錢省出大問題

航天發(fā)射耗資巨大，但是能夠用于航天發(fā)射的資金總是有限的。當(dāng)前國際航天發(fā)射市場競爭激烈，降低火箭的發(fā)射成本也是運(yùn)載火箭的開發(fā)和經(jīng)營者們需要考慮的大問題。由此，因?yàn)槭″X而產(chǎn)生的問題也就發(fā)生了。

▲ 獵鷹9 火箭發(fā)射升空后爆炸

▲ 阿爾坎塔拉航天基地1997 年航拍圖

便宜鋼材沒好貨

2015 年6 月28 日發(fā)射，美國太空探索技術(shù)公司準(zhǔn)備用獵鷹9 火箭發(fā)射一艘貨運(yùn)飛船前往國際空間站，還搭載了一臺叫做國際對接適配器的氣閘艙。

火箭起飛后140 秒時，數(shù)據(jù)流提醒任務(wù)控制中心，出問題了。當(dāng)時第二級火箭沒有按計(jì)劃點(diǎn)火，而且液氧壓力驟降。觀察家說，火箭升空時，發(fā)射臺上冒出一股白色蒸汽，籠罩著火箭，這是另一個可怕的跡象。10 秒鐘之后，火箭爆炸解體，掉進(jìn)了海里。

液體火箭發(fā)動機(jī)需要一定的設(shè)備，來把燃料和氧化劑送進(jìn)燃燒室。在獵鷹9 上，采用高壓氦氣來實(shí)現(xiàn)這個過程。在起飛時，這部分氦氣被存儲在高壓儲箱里。

▲ 2015 年6 月28 日獵鷹9 火箭點(diǎn)火發(fā)射

但是在發(fā)射過程中，固定液氦儲箱的兩個支桿中，有一個發(fā)生了斷裂，脫落的儲箱砸在了下面的設(shè)備上。太空探索技術(shù)公司說：“這在不到一秒鐘的時間內(nèi)造成了第二級內(nèi)部的高壓事件，該級已無法保持其結(jié)構(gòu)完整性。”。

根據(jù)后續(xù)調(diào)查，原因是太空探索技術(shù)公司為了降低成本，用了普通工業(yè)鋼材來制造儲箱支撐結(jié)構(gòu)。在液氦的低溫下，鋼材迅速冷脆，導(dǎo)致了失敗。

▲ 巴西VLS-1 火箭豎立在發(fā)射臺上

阿爾坎塔拉鎮(zhèn)發(fā)射場爆炸事故

2003 年，巴西熱切地希望自己能成為下一個航天國家。巴西的自然條件得天獨(dú)厚，赤道從它北部穿過，這對航天發(fā)射場的選址來說幾乎是完美的，可以最大程度利用地球自轉(zhuǎn)來賦予火箭初始速度。但就在預(yù)定發(fā)射日期前3 天，阿爾坎塔拉鎮(zhèn)發(fā)射場發(fā)生了一次大爆炸。

一股高高的黑煙柱從固體燃料火箭VLS-1所在的地方升起，火箭爆炸了。事故造成21 人死亡，多人受傷。

美聯(lián)社稱，隨后的調(diào)查揭露了“該死的”事實(shí)。報(bào)告列舉了幾種隱患，任何一種都可能造成災(zāi)難。揮發(fā)性氣體聚集的時候，傳感器居然失靈了?；鸺艿诫姶鸥蓴_，不知道哪里發(fā)生的放電現(xiàn)象，點(diǎn)燃了火箭四個固體燃料助推器中的一個，導(dǎo)致了災(zāi)難。但是，報(bào)告更加關(guān)注的是這個發(fā)射場松懈的管理模式。

報(bào)告指出：“我們注意到了風(fēng)險(xiǎn)管理層的缺乏。發(fā)射場的工人身形瘦削、工作過度”。而那一年巴西政府用于航天計(jì)劃的預(yù)算不超過2000萬美元，而同年印度的航天預(yù)算都達(dá)到了3 億美元之多。

阿爾坎塔拉事故的教訓(xùn)很明顯：在航天發(fā)射活動中，省錢必須排在安全性的后面，雖然完備的保障措施需要投入更多人力，而且不便宜，但它們是必要的。

火箭本身也有類似的問題。固體火箭助推器可能更容易使用，但也更危險(xiǎn)。一旦固體火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火，就不能關(guān)閉甚至降低推力。因此，如果一定要使用固體火箭，最好增加一些額外的保護(hù)措施。