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世界播报:火箭发射失败，原因各不相同

来源：科普中国

2022年，全球共执行186次轨道级发射，其中完全成功178次，部分成功1次，失败7次，完全成功率95.7%。失败的火箭共有6型，分别是美国的阿斯特拉3.3型火箭（2次）、欧空局的“织女星”-C、日本的“艾普斯龙”增强型、印度的SSLV、我国民营商业航天公司的“双曲线一号”和“朱雀二号”。那么这些火箭发射失败的原因何在？航天从业者可以从中吸取哪些经验教训？

“心脏”复杂易出事

发动机为火箭提供动力，堪称火箭的“心脏”，一旦出现故障，极易导致发射失败。问题是发动机结构复杂，零部件众多，工作环境恶劣，相对比较容易出现故障。据统计，发动机故障导致火箭发射失败的比例接近50%。在2022年7次发射失败中，除阿斯特拉3.3型火箭第一次失败、印度SSLV火箭失败外，其余的5次失败均直接由发动机故障导致，占比高达71%。


(资料图片)

美国阿斯特拉3.3型火箭连续发射失败后已停用

具体来讲，在5次发动机故障中，有3次问题出在主发动机上。主发动机出现故障，相当于人的心房、心室，它有问题，必然导致严重后果。

6月13日发射失败的美国阿斯特拉3.3型火箭就是二子级液体发动机燃料消耗过快，提前关机。12月21日，欧空局的“织女星”-C因二子级固体发动机出现负压，引发故障。

欧空局的织女星-C火箭首次商业发射失败

除主发动机外，火箭上还有提供姿态控制辅助动力的姿控发动机，其一旦有问题，火箭飞行姿态就容易出现较大偏差，进而导致任务失败。

我国5月13日发射的“双曲线一号”三子级姿控发动机出现燃料泄漏并提前耗尽，飞行后期失去姿控能力。日本10月12日发射的“艾普斯龙”增强型三子级姿控发动机因推进剂供给管路压力过低，无法正常工作，最终任务失败。12月14日发射的我国“朱雀二号”二子级用于姿态控制和末速修正的液氧甲烷游动火箭发动机出现故障，致使火箭姿态出现偏差。

火箭发动机易出故障，根本原因是由火箭的特点决定的。火箭需要在严格控制自身重量的前提下，经过10分钟左右，依靠发动机加速至第一宇宙速度，因此对发动机提出了大推力、高比冲、高推重比、低成本等指标，要求高又相互矛盾。这决定了发动机的工作特点：以用尽材料极限性能的极端参数运行，在较小结构空间内实现高水平能量剧烈释放与转化，即发动机要在极短时间内将燃料的化学能转化为飞行动能，功率和功率密度都非常大。

比如长征五号火箭起飞时，发动机总功率可达1600万千瓦，相当于0.7个三峡水电站的发电功率。再比如航天飞机主发动机的能量密度可达1400千瓦/公斤，是常用的汽车发动机的1600多倍。

正是一系列苛刻要求，导致火箭发动机的研制和应用存在着载荷环境复杂恶劣、结构强度和疲劳问题突出、制造和使用维护难度高等挑战，出故障不足为奇。

基础性质量问题不少

具体分析2022年这些发射失败案例，其中有一些是技术性质量问题导致的，还有一些则暴露了常规产品性能存在缺陷、操作失误等基础性质量问题。

2月11日，阿斯特拉3.3型火箭年内第一次发射失败，直接原因是整流罩分离故障和软件故障，当时整流罩未能在二子级发动机点火之前正确分离。事故调查发现，分离系统的线缆布置设计错误，导致分离时序与预期不一致，使整流罩分离失败。此外，该火箭的软件存在数据包丢失的情况，导致其二子级发动机无法利用推力矢量控制系统进行姿态控制。虽然制造商认为火箭这两个问题是“独立的”，并非连锁反应，但也表明这次发射失败的根本原因是产品设计存在缺陷，技术不过关，质量把控不到位。

阿斯特拉3.3型火箭

5月13日，我国双曲线一号遥四运载火箭发射升空后，飞行异常，发射失利。经调查发现，失败原因是火箭的2000牛姿控发动机存在多余物，导致发动机燃料路主阀关闭不严，致使燃料泄漏并提前耗尽，火箭失去姿态控制能力。三级飞行段姿态超差后，触发火箭主动安全控制条件，火箭执行自毁指令。这属于生产操作失误，在产品中遗留了多余物，同样是典型的基础性质量问题。

8月7日，印度SSLV火箭发射后，前三级都飞行正常并完成分离，但四子级（又称速度修正模块）原本应工作燃烧20秒，却只燃烧了0.1秒，使得火箭无法达到预定的飞行高度，进入了错误的椭圆轨道。事故调查发现，火箭四子级飞行时，加速度传感器出现故障，使计算机根据故障切换到错误轨道，导致整个任务失败。这是典型的器件级产品质量问题，很小的加速度传感器故障酿成了重大事故。

通过分析以上3次发射失败案例可以看出，火箭发射是复杂的系统工程，一旦设计、生产等任何环节出现细微问题，都有可能导致发射任务失败。

首飞、连胜都不易

2022年发射失败的6型火箭中，有2型是新火箭首飞时遗憾失败，包括我国的“朱雀二号”和印度的SSLV。其实，新火箭在研制过程中涉及新技术、新材料、新状态、新环境、新岗位、新人员、新设备等诸多挑战，自然面临更大的风险。

例如，我国的“朱雀二号”在国际上首次采用液氧甲烷发动机进行入轨级发射，虽然其“天鹊”80吨级液氧甲烷发动机完成了全球首次泵后摆大推力发动机技术验证等多项地面试验，但无论多么充分的仿真和地面试验都永远无法完全模拟真实的飞行环境。

正是因为新火箭的系统方案和产品可靠性未通过飞行试验完成考核，所以首飞失败的概率相对较大。“朱雀二号”入轨失败令人惋惜，但首飞越过卡门线，意义不小，而且全新的发射场系统、推进剂、主动力系统、箭体结构、测发系统等都得到了实战检验。

印度SSLV小型固体运载火箭是针对蓬勃发展的小卫星市场需求而研制的，长34米，起飞重量120吨，近地轨道运载能力500公斤，发射成本仅为成熟的印度PSLV火箭的1/10，总装时间仅需72小时。尽管SSLV首次发射失败，但其快速发射、价格低廉的特点很有市场吸引力，意味着其后续存在更多发射机会。

印度的SSLV首次发射就失败

事实上，火箭每一次发射任务都不是以往任务的简单重复，任何一个环节出现失误，任何一项工作出现纰漏，任何一个零部件出现故障，都可能导致整个发射任务失败，因此某型火箭连战连胜难能可贵。

以2022年发射失败的几款火箭为例，日本的“艾普斯龙”系列是较为成熟的固体火箭，2013年成功首飞，2022年前已成功完成5次发射任务，但第六次发射遭遇新问题而失败。欧空局的“织女星”-C在7月13日成功首飞，成为同类最强型号，但同年第二次发射即首次商业发射却失败了，型号前途、市场前景一时不明。

总之，火箭结构复杂，技术要求高，决定了航天发射是高风险的系统工程。简单分析2022年发射失败情况，我们会发现多数是由一些质量“小事”导致的，可以说“失败是差一点的成功”。

不论怎样，确保发射成功是火箭永恒的主题，也是火箭研发人员永恒的追求。在失败面前，全球火箭研发人员不会气馁，通过吸取失败教训、排除故障隐患、弥补薄弱环节、不断改进迭代，相信2023年航天发射一定能迈上更高的台阶，创造更大的辉煌。（作者：徐振亮）

关键词： 发射失败 阿斯特拉 出现故障

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