文/ 遲惑

相對于其他問題，“液體發(fā)動機(jī)推力損失”是過去幾十年來航天發(fā)射任務(wù)失敗的最常見原因。自1975 年以來，在大約241 起故障中，共有73 起或30%是由于液體發(fā)動機(jī)推力損失（不包括爆炸或點火失敗的液體發(fā)動機(jī)）造成的。這些故障大多造成了災(zāi)難性的后果，也有一些僅僅造成了部分損失。

▲ 蒂羅斯衛(wèi)星

▲ 博物館里的宇宙神F 火箭

液體發(fā)動機(jī)推力損失而導(dǎo)致火箭失效的原因有幾種。首先是過早耗盡推進(jìn)劑。這種類型的失效一般是由于推進(jìn)劑載荷計算不當(dāng)造成的，也有可能是因為發(fā)動機(jī)性能低于設(shè)計指標(biāo)，導(dǎo)致提前用完推進(jìn)劑。印度GSLV 火箭第一次任務(wù)中就發(fā)生了這種問題。儀器讀數(shù)錯誤也會導(dǎo)致推進(jìn)劑裝載不足，1981 年的德爾它 3913 發(fā)射中就發(fā)生了這種情況。還有一些液體發(fā)動機(jī)故障是由更復(fù)雜原因?qū)е碌摹?/p>

幾乎不可能的故障

1980 年5 月29 日，宇 宙 神19F火箭攜帶著NOAA-B 蒂羅斯氣象衛(wèi)星從加利福尼亞州范登堡空軍基地的SLC-3W 發(fā)射臺升空。發(fā)射正值凌晨，視覺觀察沒有發(fā)生異常。如果是在白天發(fā)射，人們可能會注意到從助推器一側(cè)冒出的異常濃密的廢氣。

跟蹤數(shù)據(jù)很快就顯示有問題，但人們一開始無法理解?；鸺从媱澰谒俣?時間曲線的低端運行。第一級推進(jìn)期間，助推器按計劃分離。通常情況下，當(dāng)助推器分離時，由于少了一部分推力，火箭的加速度會下降，但隨著推進(jìn)劑的消耗，加速度又會恢復(fù)。但當(dāng)宇宙神19F 分離助推器時，速度-時間曲線變成了平的。專家們看到數(shù)據(jù)后深感震驚。

起初，彈道數(shù)據(jù)顯示火箭已經(jīng)失去了推力，但遙測數(shù)據(jù)顯示，火箭的發(fā)動機(jī)還在正常工作。遙測數(shù)據(jù)是正確的，發(fā)動機(jī)確實在繼續(xù)工作，直到一級火箭應(yīng)該分離的時候，火箭還在工作。人們的擔(dān)憂變成了困惑，專家們說：“這是不可能的！火箭上已經(jīng)不會有燃料了！連潤滑油都沒有！”

發(fā)動機(jī)的關(guān)機(jī)時間比設(shè)計晚了50秒，火箭上沒有減速機(jī)構(gòu)，因此無法把速度降下來。衛(wèi)星正常分離并啟動了入軌發(fā)動機(jī)，但最終進(jìn)入了橢圓軌道，基本上失效了。

調(diào)查顯示，宇宙神火箭的一臺助推器發(fā)動機(jī)出現(xiàn)了罕見的故障模式。這種發(fā)動機(jī)的啟動過程非常迅速，比任何其他類似設(shè)計的發(fā)動機(jī)都快一個數(shù)量級，渦輪泵燃料側(cè)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)之間的密封可能會彈回。一旦它被彈開，燃料就強(qiáng)行進(jìn)入密封圈，并保持打開狀態(tài)，每分鐘大約有50 加侖（190 升）的燃料涌入驅(qū)動機(jī)構(gòu)。與正常運轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)所消耗的燃油相比，這部分損失并不顯著，但驅(qū)動機(jī)構(gòu)每分鐘只消耗5 加侖（19升）的潤滑油，每分鐘50 加侖的燃料涌入量比這高出一個數(shù)量級，由此產(chǎn)生的粘性阻尼使發(fā)動機(jī)推力降低到正常的80%左右，降低了助推器的加速度和速度，未使用的推進(jìn)劑卻增加了其重量。如果讓助推器發(fā)動機(jī)再工作幾秒鐘就可以彌補(bǔ)這一差距，箭上導(dǎo)航系統(tǒng)試圖做到這一點，但事實并非如此，助推器制導(dǎo)系統(tǒng)在達(dá)到設(shè)計速度之前就關(guān)閉了助推器發(fā)動機(jī)。

當(dāng)時宇宙神火箭依然保持在正確彈道上，但速度不夠高。制導(dǎo)系統(tǒng)、續(xù)航發(fā)動機(jī)和推進(jìn)劑供給系統(tǒng)都在努力彌補(bǔ)這一差距，盡可能有效地將多余的推進(jìn)劑轉(zhuǎn)化為所需的速度?；鸺龗暝咏诔晒?，但是最后還是功虧一簣。

在“宇宙神”所發(fā)射的各種衛(wèi)星中，蒂羅斯氣象衛(wèi)星是獨一無二的。火箭和衛(wèi)星之間沒有任何形式的電氣接口。

通常情況下，在飛行過程中，由火箭發(fā)送信號，激活衛(wèi)星上的星箭分離火工品，并通知航天器制導(dǎo)系統(tǒng)。但對于蒂羅斯氣象衛(wèi)星，設(shè)計要求它在接到發(fā)射命令后的有限時間內(nèi)進(jìn)入軌道，通常是90 天左右。這種時間表通常需要在發(fā)射場保持衛(wèi)星處于就緒狀態(tài)；這需要花錢，而且需要專門的人力和專門的處理設(shè)施?？s短航天器到達(dá)發(fā)射基地時間的另一種方法是取消助推器和航天器之間的電氣接口。沒有接口的好處是它們不需要測試，火箭可以單獨做好發(fā)射準(zhǔn)備，然后衛(wèi)星與火箭結(jié)合，各自測試，之后10 天左右就可以發(fā)射，而不是通常的30 天。

因此，宇宙神火箭和蒂羅斯衛(wèi)星之間僅僅使用V 形包帶進(jìn)行機(jī)械連接。衛(wèi)星根據(jù)自己的加速計信號來決定何時需要啟動星箭分離。如果出現(xiàn)了這個信號，表明火箭已經(jīng)停止了推進(jìn)。

如果火箭已經(jīng)停止工作，衛(wèi)星制導(dǎo)系統(tǒng)將發(fā)出命令，引爆火工品，使用小型單組元肼推力器與火箭分離，然后自己確定軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)，點燃TEM-364-15 遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)，進(jìn)入太陽同步軌道。

▲ 宇宙神F 火箭游動發(fā)動機(jī)細(xì)節(jié)

▲ 宇宙神F 火箭的發(fā)動機(jī)布置

▲ 宇宙神F 火箭有3 臺發(fā)動機(jī)

▲ 準(zhǔn)備發(fā)射GPS 衛(wèi)星的德爾它4 火箭

這樣的方案意味著，如果衛(wèi)星加速度計出現(xiàn)故障，就無法實施星箭分離了。因此衛(wèi)星制導(dǎo)系統(tǒng)中還有一個基于軟件的計時器，如果加速度計一直不能提供信號，它就會接管信號并啟動分離。在“宇宙神19F”的飛行中，蒂羅斯衛(wèi)星的計時器在火箭繼續(xù)燃燒以達(dá)到設(shè)計速度之前就完成了計數(shù)，關(guān)閉了主發(fā)動機(jī)，但兩個LR-101 游動發(fā)動機(jī)繼續(xù)工作了11 秒。游動發(fā)動機(jī)本身是為了讓衛(wèi)星分離前有更精確的指向。這兩臺發(fā)動機(jī)的推力只有4450牛頓，與主發(fā)動機(jī)相比并不多，但比衛(wèi)星上的四個小推力器推力高出一個數(shù)量級。

包帶炸開后，“宇宙神”仍然在推進(jìn)，衛(wèi)星無法與火箭分離，并執(zhí)行所需的姿態(tài)控制動作?！暗倭_斯”衛(wèi)星另一個節(jié)省成本的設(shè)計是火箭飛行彈道很高，這樣就能用范登堡基地的遙測系統(tǒng)來跟蹤火箭飛行彈道中盡量多的部分，減少對昂貴的“低空先進(jìn)測距儀飛機(jī)”的需求。但這樣的彈道意味著衛(wèi)星在啟動遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)之前必須有正確的姿態(tài)。

“蒂羅斯”終于擺脫了火箭，它的遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)把“宇宙神”的液氧儲罐頂部燒出了一個洞，導(dǎo)致泄壓。遙測數(shù)據(jù)顯示，“宇宙神”液氧罐的壓力立刻降到零。

因為推進(jìn)太久，“蒂羅斯”最后進(jìn)入的橢圓軌道與預(yù)期的830 公里太陽同步圓軌道相距甚遠(yuǎn)，基本上完全損失了。

▲ 德爾它4 重型火箭是世界上第一種把3 個幾乎相同的第一級捆綁在一起的火箭

▲ 獵鷹9 火箭把軌道通信衛(wèi)星送入了錯誤軌道

德爾它4 重型版的首飛事故

德爾它4 重型版火箭上次發(fā)生故障，是在2004 年12 月21 日。這是該型火箭的首次飛行。它從卡納維拉爾角空軍基地從SLC-37 升空。這是世界上第一種把3 個幾乎相同的第一級捆綁在一起的火箭。飛行的初期似乎很順利，但兩個捆綁式助推器提前8 秒關(guān)閉。隨后，芯級也提前9 秒關(guān)閉。

為了彌補(bǔ)第一級推進(jìn)時間的不足，第二級火箭推進(jìn)了更長時間，但是依然無濟(jì)于事，試驗有效載荷最終進(jìn)入了遠(yuǎn)地點16000 公里的軌道，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到靜止軌道。兩個搭載的有效載荷也因為速度不夠而墜入大氣層燒毀。

這兩個事故告訴我們，啟動火箭發(fā)動機(jī)充滿危險，但關(guān)閉液體火箭發(fā)動機(jī)也不是一個簡單的過程。因此，設(shè)計師們必須非常小心，以確保發(fā)動機(jī)不會因燃料不足而提前關(guān)機(jī)。特別是在氧化劑和燃燒劑混合比過高的情況下。對于大多數(shù)發(fā)動機(jī)來說，氧含量過高很可能導(dǎo)致燃燒室壓力突然提高，使發(fā)動機(jī)爆炸，火箭和衛(wèi)星全部損失。

所以，幾乎所有火箭都裝有氧化劑閥門。當(dāng)燃燒劑儲箱基本用空的時候，就關(guān)閉發(fā)動機(jī)。然而，這正是德爾它4 重型首發(fā)失敗的原因。第一級的3 個芯級上，傳感器全都過早地報告了燃燒劑耗盡的信息，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在工作完成前關(guān)閉。

2012 年10 月4 日，搭 載著一 枚GPS 衛(wèi)星的德爾它4 火箭發(fā)射升空。飛行過程中，第二級火箭發(fā)生了推力部分損失，不過衛(wèi)星還是正常入軌了。隨后的10 月7 日，第一次向國際空間站運送貨物的獵鷹9 火箭發(fā)生一級發(fā)動機(jī)故障，雖然沒有影響貨運飛船的飛行，卻導(dǎo)致了搭載的第二代軌道通信星座衛(wèi)星無法進(jìn)入正確軌道。而具體的問題，都是火箭發(fā)動機(jī)的推力沒有達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

其中獵鷹9 火箭的故障也是因為關(guān)機(jī)太早?？刂葡到y(tǒng)發(fā)現(xiàn)其中一臺一級發(fā)動機(jī)出現(xiàn)問題，于是自動關(guān)掉了它，由其他發(fā)動機(jī)的推進(jìn)來彌補(bǔ)這個損失。出于安全考慮、避免碰撞，載人飛船或者貨運飛船不能用火箭直接送到國際空間站，而是要在距離90 公里左右的地方釋放，因此火箭入軌不準(zhǔn)可以得到彌補(bǔ)。飛船的動力比較強(qiáng)，有彌補(bǔ)失誤的能力。但是搭載的小衛(wèi)星就做不到了，只能被留在錯誤的軌道上。

看來，發(fā)動機(jī)故障是無法杜絕的，但是通過整箭的恰當(dāng)設(shè)計，還是有希望挽救任務(wù)的。這不僅需要適當(dāng)?shù)耐七M(jìn)系統(tǒng)設(shè)計裕度，而且還需要考慮到可能出問題的整箭設(shè)計裕度。發(fā)動機(jī)發(fā)生故障后的搶救任務(wù)，是對有效載荷集成和任務(wù)設(shè)計過程的考驗。