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俄羅斯“聯盟”FG火箭發射事故初步分析

編者按

2018年10月11日,攜帶“聯盟”MS-10載人飛船的“聯盟”FG火箭從哈薩克拜科努爾發射場發射執行國際太空站航天員運送任務,火箭起飛約兩分鐘後發射故障,逃逸發動機啟動將“聯盟”MS-10載人飛船與火箭分離,隨後飛船利用降落傘降落地面,航天員安然無恙,“聯盟”FG火箭隨後墜毀。這也是“聯盟”FG火箭自使用以來的首次發射事故。

▲聯盟FG火箭發射時序

1、任務概況

按照預定計劃,“聯盟”MS10飛船在發射後6個小時飛船與國際太空站的對接,並在軌停留約6個月的時間,計劃於2019年4月返回地球。

(1)任務流程

北京時間2018年10月11日16時47分,“聯盟”FG火箭從拜科努爾發射場發射,發射後114.16秒,逃逸塔分離;發射後117.8秒,火箭一級分離,此時高度為50千米;發射後123秒,由於火箭監測到出現異常,與整流罩相連的4台RDG固體逃逸發動機兩兩間隔0.32秒啟動,將飛船的軌道艙和返回艙與火箭分離(參見圖2,聯盟飛船逃逸系統類似我國神舟飛船,此次逃逸類型應為“無塔高空逃逸”);發射後160秒,返回艙與其他部分分離進入自由降落模式再入大氣層,隨後在任務中心的指導下,航天員啟動彈道再入模式,最大重力加速度為6.7g;發射後約7分鐘,返回艙以傘降方式降落地面,地點位於在哈薩克傑茲卡茲甘以東25~30千米(距拜科努爾發射場約400千米)。

▲神舟系列飛船安全措施示意圖

(2)救援過程

事故發生後,俄羅斯立即啟動緊急救援程式。駐扎在傑茲卡茲甘、拜科努爾和的飛機與地面車輛啟動搜索行動,俄羅斯中央軍區的快速響應空降兵小組在半小時內空投傘兵到達返回艙降落地點,隨後4架“米-8”直升機和一個地面小組也到達降落地點,將出艙的兩位航天員送到就近的機場。經過初步醫療檢查,二人狀況良好,隨後通過飛機返回俄羅斯和美國。

▲俄羅斯宇航員Alexey Ovchinin和

美國宇航局的宇航員Nick Hague

(3)事故調查

事故發生後,俄羅斯出動24支搜救隊搜尋事故殘骸。返回艙也被俄羅斯國家航天集團公司和能源火箭公司回收,專家們開始破譯數據,計劃10月12日提供初步報告。10月11日,“聯盟”FG火箭的整流罩在距離傑茲卡茲甘40千米處已經被找到;10月12日,“聯盟”FG火箭的助推級、一級、二級火箭和逃逸塔殘骸在卡拉乾達地區找到,分布在方圓40千米的區域內。俄羅斯已經成立事故調查委員會,預計將於2周內(10月25日)提交事故調查報告。

由於“聯盟”FG同時承擔國際太空站的載人和貨運任務,因此在事故調查完成之前,俄羅斯已經暫停所有載人航天發射任務。

2、事故原因分析

從火箭發射時序來看,事故發生在火箭助推級與火箭一級剛剛分離時,因此極有可能是分離時出現的問題。據俄新社的報導,根據遙測數據分析,似乎是捆綁的4枚助推級火箭中的一枚火箭未能成功分離,導致其與火箭一級儲箱碰撞,導致一級儲箱破裂未能成功點火,火箭姿態失去控制。

主要證據如下:在4枚助推火箭與一級分離過程中,助推器會對稱地向遠方飛去,就像在天空中畫出一個巨大的十字——“科羅廖夫十字”(參見圖3)。但在此次發射過程中,卻出現很多碎片與濃煙,隨後的“科羅廖夫十字”也顯得支離破碎,似乎有碎片飛出。

▲左為正常情況下的助推器分離——科羅廖夫十字

右為此次發射分離畫面

此外,火箭的故障指令一般是根據火箭第一、二級角速度傳感器的數據而發出的。當這些傳感器檢測到一級火箭偏差超過7度或在二級偏差超過10度時,就會生成“avariya”(事故)命令,觸發緊急逃學生序列。然而,在四個助推器分離時,故障檢測系統有6秒鐘的暫停,避免因助推級分離時的劇烈晃動導致誤判。從發射時序看,助推級與一級分離是發射後的117.8秒,故障指令發出時間是約123秒,剛好是故障檢測系統暫停的6秒間隔。因此,從發射時序也可以判斷出故障與助推級分離有關。

據最新報導,俄羅斯國家航天集團公司已經將事故調查重點放在助推級分離過程,判斷可能與分離機構或助推級的安裝件有關。

3、事故對國際太空站運行造成嚴重影響

此次事故不僅使困難重重的俄羅斯航天事業“雪上加霜”,極大影響俄羅斯在國際發射市場的形象,更嚴重的是嚴重影響國際太空站的安全運行。由於目前承擔國際太空站載人運輸任務的只有俄羅斯的“聯盟”FG火箭/“聯盟”MS飛船,波音公司和SpaceX的商用飛船預計不會在2019年中期之前投入使用。因此此次發射故障將非常不利於國際太空站在軌航天員的安全以及國際太空站的日常運行。

首先,國際太空站載人運輸任務將暫停。由於事故調查剛剛啟動,距離找到問題原因、解決問題和事故歸零還需要很長時間,因此國際太空站載人運輸任務將不得不面臨中止的窘境。俄羅斯國家航天集團公司總經理羅戈津10月12日表示,將於2019年恢復“聯盟”FG火箭的發射,但只是預測,能否實現尚未可知。

其次,影響國際太空站的正常運行。根據預定計劃,“聯盟”MS10飛船除攜帶兩名航天員外,還有62千克貨物,其中包括5個裝有食品和其他物資的貨櫃,其中包括一台3D生物印表機及其生產材料。而在2019年4月返回地球時,還將搭載1名來自阿拉伯聯合酋長國的乘員,後者將乘坐“聯盟” MS 12抵達太空站進行短暫訪問。而此次發射事故將使得上述計劃落空。而美俄在軌航天員原定的太空行走也因為此次事故被取消,很多科學實驗都將不得不取消或推遲。

更嚴重的是,目前國際太空站只有1艘“聯盟”MS 9飛船,而這艘飛船最晚將於2019年1月返回地球。因此從安全角度考慮,如果在此之前沒有新的“聯盟”MS飛船抵達國際太空站,目前在軌3名航天員將於2019年1月返回地球,屆時國際太空站自2000年10月以來將首次出現沒有航天員以及沒有飛船值守的局面。出現這種局面後,不僅會極大浪費國際太空站資源,還不利於國際太空站的在軌安全運行。

4、幾點看法

一是高度重視載人運輸的安全性。首先,火箭/飛船要有可靠的逃逸設計,這可以在發生故障時確保航天員的安全。歷史上,俄羅斯/蘇聯分別於1975年和1983年兩次發射事故中利用逃逸系統挽救航天員生命。1975年,“聯盟”18A飛船未能與火箭三級分離,隨後飛船利用自身發動機與三級分離返回地面;1983年“聯盟”T-10a飛船在發射前數秒時火箭發生爆炸,逃逸塔被激活,將返回艙彈射遠離爆炸的火箭,最終航天員安全落地,這也是歷史上唯一一次使用逃逸塔實現逃學生。雖然俄羅斯航天發射多次發生事故,但是擁有可靠的逃逸設計,多名航天員先後從發射事故中安全逃逸。而與之相反,美國“挑戰者”號太空梭由於沒有逃逸救生設計,7名航天員在發射事故中全部遇難。

其次,制定好火箭的應急處理程式。此次事故發生後,航天員能在較短時間內成功找到就是因為預先部署了大量的救援人員。俄羅斯在火箭發射軌跡下方共部署16個預置救援地點,確保一旦發生意外可以在最短時間內找到航天員並開展醫療救護。而此次事故後,俄羅斯在半個小時抵達返回艙墜落地點開展救援也充分證明了應急預置程式的重要性。

二是確保火箭生產的自主可控。由於歷史原因,俄羅斯很多類型的火箭零組件都依賴國外進口尤其是烏克蘭,“聯盟”FG火箭也不例外,烏克蘭為該型火箭提供航電系統。在俄羅斯與烏克蘭因為克裡米亞半島問題關係嚴重惡化的情況下,還要依賴對手提供重要零組件這簡直是不可想象的。據稱,烏克蘭最初並不願意為俄羅斯提供零組件,後來美國NASA不得不通過美國國務院才使烏克蘭同意繼續為“聯盟”FG火箭提供零組件。此次事故雖然可能與烏克蘭提供的零組件無關,但是如此重要的火箭卻依賴對手提供零組件,這無疑是巨大的安全隱患。為此俄羅斯加快“聯盟”2火箭的研製,希望最快於2019年取代“聯盟”FG火箭執行載人運輸任務,而“聯盟”2火箭最大優勢就是所有零組件全部國產化,全部由俄羅斯國內生產。

三是要必須擁有多種可靠的載人運輸系統系統。目前國際太空站的載人運輸系統只有一種,因此一旦出現問題就會導致無火箭可用的困境。而國際太空站貨運系統則不同,包括美國的“獵鷹”9火箭/“龍”飛船、“安塔瑞斯”火箭/“天鵝座”飛船,俄羅斯的“聯盟”火箭/“進步”飛船,歐洲的ATV和日本的HTV等系統,儘管“獵鷹”9火箭/“龍”飛船和“安塔瑞斯”火箭/“天鵝座”飛船都發生過事故,但因為有其他貨運系統提供補充,因此並沒有對國際太空站的運行造成嚴重影響。美國對未來商業航天載人運輸系統的規劃中,選擇了兩種載人運輸系統——SpaceX公司的載人“龍”飛船和波音公司的“星際客船”,也是考慮到一旦一種系統發生問題,還可以依靠另外一種系統作為補充。

來源:俄羅斯衛星通訊社等/圖片來自互聯網

軍事科學院軍事科學資訊研究中心 廖小剛

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