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“猎鹰”9火箭发射失败及其影响分析

北京航天长征科技信息研究所 杨开才 满瑞
北京时间201 5年6月28日，美国太空探索技术公司(SpaceX)的猎鹰9-1.1火箭在执行第7次国际空间站货运补给任务(CRS-7)时，火箭升空2分19秒后出现故障发生爆炸， “龙”飞船及其携带的1 .9t左右的载荷也全部损毁。此次任务是“猎鹰”9系列火箭的第19次发射，也是SpaceX公司在201 5年的第6次发射。
一、事故情况及初步调查结果
火箭在发射前13分钟顺利通过射前测试，各分系统的工程师和靶场官员进行了投票表决，决定执行发射。之后，火箭进入自动倒计时程序，开始进行贮箱增压、发动机冷却、切换至箭上电源与计算机等一系列关键程序，并于当地时间晚上10时21分1 1秒发射升空。
在发射后2分19秒，火箭头部开始出现推进剂泄漏（或冷凝物）形成的浓雾，并逐渐包围了整个火箭。随后，浓雾包裹的火箭开始有碎片迸出，“龙”飞船脱离火箭。在出现故障后8秒，即发射后2分27秒，火箭随着一次剧烈爆炸而损毁。事故发生后第二天，SpaceX公司确认美国空军靶场安全官在事故发生70s后，发出了自毁指令，但是这只是作为常规的处理流程，并未造成实际影响，因为此前火箭已完全解体销毁。
“猎鹰”9火箭二子级采用液氧／煤油推进剂，液氧贮箱位于煤油贮箱上方，如图3所示。液氧贮箱和煤油贮箱都是采用铝锂合金材料加工的硬壳式结构，推进剂的总质量为90t。液氧贮箱采用高压氦气瓶增压。故障发生时， “猎鹰”9火箭飞行高度为4 5´km，速度达1300m/s，一、二子级仍处于连接状态。根据发射视频中工作人员发出的指令可以确定，当时二子级的隼1D发动机正在进行冷却操作，为点火做准备。在发动机冷却过程中，需要先打开发动机的阀门让液氧流入涡轮泵，这时就需要利用高压氦气瓶保持贮箱的压力。因此，此次事故很可能与氦气瓶有关。
经过近3周的调查后；7月21日SpaceX首席执行官艾伦，马斯克通过远程视频会议向记者公布了事故调查的初步结果：在一子级工作期间，火箭上面级液氧贮箱中的氦气瓶支架失效，引起氦气泄漏，最终导致液氧贮箱因压力过大而破裂。氦气瓶支架采用钢材料制造，长60cm，厚2.5cm，最大设计承载能力为44.5kN，是最大计算载荷的3倍。但是此次飞行中，载荷达到其最大承载能力的1／5时，支架就发生了失效。马斯克表示之前的飞行中采用的数百个支架从未发生过故障，而且从上面级交付前对液氧贮箱内部拍摄的照片中，也没有发现支架有任何结构损坏或装配失误。然而，在试验过数千个支架后，确实有部分支架在很小的载荷下便已失效，马斯克称其为“统计学”因素。该支架是由一家外部供应商提供的。SpaceX公司计划改进支架的设计方案，并将支架材料更换为镍基合金，而且很可能会更换供应商，未来还将会对这类部件进行更充分的测试。
二、此次事故可能造成的影响
1．国际空间站采取替代补给方案
此次事故是国际空间站过去8个月以来在货运补给上遭遇的第3次失利。前2次分别为：2014年10月，美国轨道科学公司的“心宿二”（也译为“安塔瑞斯”）火箭／“天鹅座”飞船在升空后爆炸；2015年4月，俄罗斯联盟号火箭发射进步号货运飞船未能进入预定轨道，最终坠人大气层。
爆炸发生后，美国国家航空航天局(NASA)局长博尔登随即在官网发表声明，强调国际空间站的商业货运计划考虑到了任务失败的风险，有足够的备用方案进行空间站的补给供应包括俄罗斯的进步号货运飞船、日本的“H-2转移飞行器” (HTV)以及轨道科学公司的“天鹅座”等。NASA负责载人航天的副局长比尔，格斯登迈尔称，轨道科学公司的“天鹅座”飞船原计划在今年12月份使用“宇宙神”5火箭发射，“猎鹰”9发生事故后，发射时间可能会提前至10月份。
已经于7月4日发射的俄罗斯进步号飞船成功地为国际空间站运送了补给物资，现有的补给能够维持到今年11月。即将于8月份发射的日本HTV-5的主要目标也是运送补给物资。实际上，此次“龙”飞船运送的载荷主要是科学试验仪器以及系统设备。
2．SpaceX公司的发射订单被迫推迟
SpaceX公司现有的发射任务几乎都是商业发射（包括CRS任务），需要获得联邦航空局(FAA)的发射许可。在事故调查彻底完成之前，“猎鹰”9火箭只能停飞，马斯克表示下一次发射时间不会早于9月。而目前SpaceX公司保持着比较高的发射密度，上半年已经成功完成了5次发射任务，此次CRS-7任务是第6次发射。下半年还将有8次发射任务（见表），虽然表中任务都是待定状态，但即使以上半年执行6次发射任务的频率而言，事故调查造成的计划推迟也会给SpaceX公司造成非常大的损失，初步估计发射失败造成的损失在1亿美元以上。
此外，由于目前SpaceX的重点将集中在“猎鹰”9火箭的复飞工作上，所以“重型猎鹰”火箭的首飞要推迟至明年春天，这也将导致“重型猎鹰”的订单向后推迟。
3．SpaceX的重复使用技术验证被迫推迟
SpaceX原定在本次发射任务中第3次尝试在海上平台回收“猎鹰”9火箭一子级，并且对海上回收平台——自主航天港无人船(ASDS)进行全面升级和更新（如图4）。由于此次火箭发射失败，回收试验也自然不能完成。
除“猎鹰”9火箭一子级回收试验外，SpaceX公司还利用垂直起降验证机进行重复使用技术的演示验证试验，包括“蚱蜢”和“猎鹰”9可重复使用验证机(F9R-Dev)。其中“蚱蜢”已进行了8次垂直起降试验，最大飞行高度仅为744rn，目前试验已经完成。之后，SpaceX公司在“猎鹰”9-1.1火箭一子级的基础上研制了F9R-Devl验证机，开展了最大飞行高度lOOOm的垂直起降试验，但是该验证机2014年8月在第5次飞行试验中炸毁。SpaceX原计划在2015年利用“猎鹰”9-Dev2验证机开展高空高速的垂直起降技术验证，受F9R-Devl爆炸的影响，高空高速的试验迟迟未能开展。SpaceX公司只能将精力集中在“猎鹰”9火箭一子级的海上平台回收。此次发射失败后，重复使用技术验证计划也会再次推迟。
本年度“猎鹰”9火箭一子级已经进行了2次海上平台回收试验，但均以失败告终：
●2015年1月10日，在执行CRS-5任务过程中， “猎鹰”9火箭一子级尝试海上平台回收。由于格栅舵的开式液压作动系统的液压油装载量不足，格栅舵在着陆前未能有效工作，导致一子级速度过大，与平台发生碰撞并损毁；
●2015年4月14日，在执行CRS-6任务过程中， “猎鹰”9火箭一子级再次尝试海上平台回收。虽然着陆时基本接近垂直下降，着陆架顺利打开并降落在平台上，但是由于控制系统的节流阀比预期的反应慢（产生相位滞后），一子级因横向速度过大而翻倒。
三、对此次事故的分析和预测
1．商业航天再受挫折但将继续发展
NASA为了降低近地轨道的运输成本，从2006年开始先后制定并实施了“商业轨道运输服务” (COTS)计划和“商业乘员计划”(CCP)，以为国际空间站提供货物和人员运输能力。随着COTS计划的成功实施，分别隶属于SpaceX公司的“猎鹰”9／“龙”和轨道科学公司的“安塔瑞斯”／“天鹅座”已投入使用，执行国际空间站货运任务。NASA于2014年9月分别向波音公司和SpaceX投入了42亿美元和26亿美元，用于在CCP框架下研制近地轨道载人航天运输系统。
不过就在美国商业航天运输计划开始步入正轨进行大规模应用阶段，却连遭“安塔瑞斯”火箭爆炸和“猎鹰”9火箭爆炸的双重打击。 “安塔瑞斯”火箭在2014年10月28日发射“天鹅座”飞船时，由于一子级AJ-26发动机的涡轮泵过度磨损而发生爆炸，火箭在落回发射场后还引起了二次爆炸。事故发生后，轨道科学公司采取措施积极应对，包括寻求其他发射供应商（目前已确定采用“宇宙神”5火箭来发射“天鹅座”飞船、采用RD-181发动机更换“安塔瑞斯”火箭一子级的AJ-26发动机等。原本美国政府鼓励私营企业执行航天发射的举措就曾遭到各方的质疑，这两次发射失败将会进一步加剧对商业航天公司能力的怀疑。不过，相信美国政府不会轻易放弃已经制定的航天政策，商业公司也会尽全力进行故障调查和技术改进。NASA局长博尔登在官网上的声明中也明确提到要帮助SpaceX公司分析原因，尽早实现“猎鹰”9火箭的复飞，政府对商业航天的支持态度可见一斑。
2．火箭可靠性是商业航天的立足之本
SpaceX公司以其低廉的发射价格、灵活的发射服务和优异的前期表现赢得了各方客户的青睐。目前该公司的发射订单已接近50发，订单总价值超过70亿美元。但这些订单的执行是建立在高可靠的基础上。欧洲的“阿里安”5、美国空军的“德尔它”4和“宇宙神”5火箭价格虽然昂贵，但是发射可靠性也非常高。 “阿里安”5火箭自2003年至今连续成功发射66次， “德尔它”4和“宇宙神”5系列火箭发射成功率分别高达96.6%和98.2%。由于快速扩张，SpaceX公司的“猎鹰”9火箭已经形成了实际意义的高密度发射，但目前已执行的火箭发射总数量还不够多，可能会遇到各种各样的问题。
从此次事故的初步调查结果来看，问题是由于对供应商提供的商业部件未进行逐一检测和试验。小概率事件会导致整个发射任务的失败，更重要的是客户会丧失对整个公司发展的信心。这个教训是值得深思的。航天产品不仅要做到设计到位，还要做到检测到位，确保万无一失。
3．追求运载器重复使用的信念不会动摇
随着航天商业化的发展，运载火箭必然追求性能灵活、低成本和高可靠。重复使用运载器发展至今已经得到航天飞机的实际验证，但是却没有达到大幅降低航天运输费用的目的。SpaceX公司作为新兴的宇航企业大胆创新，重点验证一级垂直回收重复使用技术，但是从目前的进展来看并不顺利，通过海上平台回收一子级在技术上可行但是难度很大。艾伦·马斯克在发射失败后不久在国际空间站应用会议上表示，今年仍有可能实现一子级的回收，对公司的重复使用计划保持乐观。
面对SpaceX公司在重复使用技术方面的不断创新，欧洲空客公司也提出了发动机部段的回收方案。它是通过安装在发动机部段上的～对翼面和2台涡扇发动机减速返回并在跑道上着陆。作为重复使用部分的发动机舱段包括发动机、电子设备和舱段结构，占一子级成本的80%。涡扇发动机所需的燃料非常少，其造成的性能损失远低于“猎鹰”9-子级重复使用方案。美国联合发射联盟公司(ULA)打算研制的下一代运载系统——“火神”火箭也提出了一子级发动机回收方案，拟利用降落伞回收一子级的发动机部段并重复使用。因此，各国为了降低发射成本近期正重点验证火箭昂贵部段的回收技术，远期将发展带翼有动力返回的完全重复使用技术。

-全文完-