質量問題導致織女星火箭在16個月內第二次失利(附失利原因)

2021-01-20 航天科技情報展望
2020年11月17日,歐洲織女星火箭執行該型號的第17次發射任務,代號VV-17,在起飛後8分鐘,AVUM(姿態微調上面模塊)上面級點火後不久,遙測數據顯示上面級搭載著兩顆衛星偏離了預定軌道,火箭起飛2小時後阿里安航天公司宣布織女星火箭發射失利。織女星自2012年首飛到2019年3月,連續成功完成14次發射任務。在2019年7月的第15次次任務遭遇首次失利,在2020年9月第16次任務剛剛成功復飛之後,又在本次任務中再遭失利。

北京時間11月17日24時,阿里安航天公司召開發布會,初步確定失利原因為AVUM上面級製造過程中的質量問題導致,完全是由於一系列人為原因,而非設計上的問題。阿里安航天公司的首席技術官羅蘭·拉吉耶表示,織女星火箭起飛之後,一子級到三子級3個固體子級的工作都很正常,但是上面級AVUM點火啟動後,火箭開始脫離控制,出現劇烈的翻滾,最終導致上面級偏離預定的彈道。根據對遙測數據的初步判斷,具體原因是由於連接到AVUM上面級的兩個推力矢量控制執行機構的線纜連接插反導致,控制指令作用到了相反的執行機構,使得偏轉方向相反,最終導致上面級姿態失控。

阿里安航天集團明確表示後續將深入調查失利原因,但本次失利不會影響其他發射任務,年底前阿里安航天公司還將進行4次聯盟號發射任務。

1 本次任務概況

本次任務計劃由織女星火箭利用織女星次要載荷適配器(VESPA)搭載2顆衛星入軌,一顆為西班牙的SEOSAT-Ingenio遙感衛星,重750千克;另一顆為法國的TARANIS科研衛星,重150千克。VESPA載荷適配器的質量大約為262千克。本次任務的載荷總重為1192千克,目標軌道為700千米的太陽同步軌道(SSO)。發射地點為庫魯發射場的織女星發射工位(北緯5.2度左右),火箭起飛時間為北京時間2020年11月17日9點53分。

根據阿里安航天公司提供的任務手冊,織女星從庫魯發射場起飛後,三個固體子級總計工作7分鐘,之後三子級和上面級組合體(包括AVUM、VESPA適配器和載荷)分離,三個固體子級落區全部在海上。在正常情況下,AVUM上面級第一次點火工作大約持續7分鐘,之後滑行37分鐘;AVUM第二次點火工作大約2分鐘後,完成SEOSAT-Ingenio衛星的部署,衛星分離高度約為670千米,軌道傾角98.09度;AVUM第三次點火工作幾秒鐘的時間,之後滑行36分鐘;AVUM第四次點火幾秒鐘關機滑行4分鐘之後,完成TARANIS衛星的部署,衛星分離高度約為676千米,軌道傾角為98.19度。TARNIS衛星大約在火箭起飛1小時42分鐘之後完成部署。最後,AVUM上面級會完成第5次點火和關機,實現離軌操作,再入大氣層。

圖2 VESPA適配器上方為質量較大SEOSAT-Ingenio下方為質量較小的TARANIS

本次發射任務的發射準備流程如下表:

表1  織女星VV-17任務的發射準備流程

圖3 VESPA適配器在結構上分為上半部分和下半部分,通過分離裝置連接

表2 織女星VV-17任務的發射倒計時和飛行時序

2 織女星火箭

織女星火箭由歐空局出資,義大利艾維歐(Avio)公司研製,阿里安航天公司負責發射服務運營,從2012年開始投入使用,在阿里安5大型火箭以及從俄羅斯引進的聯盟號ST中型火箭之後,彌補歐洲在1噸左右的小型載荷發射能力上的缺失,形成了完整的運載火箭型譜。

圖4 織女星火箭完善歐洲的運載火箭型譜

織女星火箭採用四級構型,高30米,起飛質量137噸,最大直徑3米,700千米太陽同步軌道運載能力1430千克。一子級採用P80固體火箭發動機,直徑3米,推力2261千牛,推進劑裝藥量為88噸。P80是歐洲最早的採用複合材料殼體的一段式固體助推器,為後續阿里安6和織女星採用的P120C固體助推器奠定了良好的基礎。二子級採用Z23固體火箭發動機,推力871千牛,推進劑裝藥量為25噸。三子級Z9固體火箭發動機,推力260千牛,推進劑10噸。

AVUM上面級採用烏克蘭提供的RD-843常溫發動機,採用偏二甲肼和四氧化二氮作為推進劑,具有多次啟動能力,最大工作時長為667秒。

圖5 AVUM上面級的結構示意圖

AVUM的推進劑採用4個球形貯箱存儲,偏二甲肼和四氧化二氮分別採用2個貯箱。每個球形貯箱的容積均為142升。球形貯箱採用高壓氦氣瓶增加,氣瓶容積88升,壓力31兆帕。姿控系統採用2個推力器單元,每個單元含3個推力器,單個推力器推力為50牛,採用高壓氮氣作為工作介質,氣瓶容積88升,壓力31兆帕。

AVUM的主動力為RD-843發動機,由烏克蘭南方設計局為歐洲研製,基於SS-18撒旦飛彈的末級發動機RD-869。RD-843發動機的推力2.45千牛,比衝315.5秒,混合比為2,入口壓力為3兆帕,能夠在±10°的範圍偏轉。

圖6 AVUM的主發動機

AVUM上面級的姿控系統採用了2個美國慕格(Moog)公司的Moog 50-820推力器單元,每個單元包含3個推力器,單個推力器的推力為50牛,最小推力脈衝時間為0.5納秒,最多可以4個推力同時工作,每個單元結構質量29千克,入口壓力為3.5兆帕或7.5兆帕。

圖7 慕格公司的Moog 50-820姿控推力器

歐洲還在研製運載能力更大織女星C火箭,採用更大規模的一二子級固體火箭發動機,運載能力提升到2噸以上,任務範圍也大幅拓展,不僅能夠利用執行多星共享發射服務,還能夠配合電推力上面級將載荷送入同步軌道,或者配合「太空騎士」軌道飛行器將載荷返回地面。織女星C火箭原最早計劃在2019年進行首飛,但是收到2019年7月織女星發射失利影響推遲至2020年,又因為2020新冠疫情影響到2021年,本次織女星發射失利勢必再次影響織女星C火箭的首飛時間。

圖8 改進之後的織女星C具備5類任務發射能力

3 織女星2019年發射失利情況

在2019年7月的發射任務中,織女星火箭二子級固體發動機(Z23)的燃燒氣體(大約3000攝氏度)對二子級的碳纖維結構造成衝擊或燒蝕損壞,導致二子級熱結構失效,最終致使火箭和衛星墜毀解體。

失利根本原因則是因為質量檢查環節沒能夠發現二子級熱防護層的製造缺陷。二子級的熱防護層的厚度比正常要求少了大約1毫米,因為誤差很小,所有質量檢查環節都沒能發現這一缺陷,最終導致二子級的結構失效。為了修正上述問題,艾維歐公司採取了三方面的措施。首先,是質量檢測手段的提升,不僅採用超聲波,還引進了數字X線攝影。在改進檢測手段後,艾維歐隨機抽查了生產中的二子級發動機,並成功完成試車。其次,為二子級的Z23固體發動機增加了熱防護層的厚度,儘管可能不是必要措施,但也能夠增加安全餘量。最後,改進了織女星的遙測設備、飛行安全設備和自毀設備。增加了攝像頭等傳感器獲取更多飛行數據。

4 截至目前,全球航天發射已經遭遇9次失利

截至目前,2020年全球共計93次航天發射,但僅有84次成功,遭遇了9次失利,成功率為90.3%。

(1)2月9日,伊朗神鳥號火箭遭遇發射失利(首飛以來連續3次失利)(3)4月9日,長徵三號乙發射印尼帕拉帕通信衛星遭遇失利(4)5月26日,維珍軌道公司的運載器一號首飛遭遇失利(5)7月5日,電子號火箭執行第13次發射任務,一箭七星遭遇失利(7)9月12日,美國創企阿斯特拉公司的火箭3.1小型運載火箭首飛遭遇失利(8)9月12日,快舟系列今年第二敗,快舟一號甲首次遭遇失利(9)11月17日,織女星火箭執行該型號的第17次發射任務,再遭失利5 小結

2019年織女星因為質量問題引起二子級故障,導致發射失利。經過一年多的改進和驗證,證明了措施的有效性。但在成功復飛僅僅2個月後,再次遭遇失利,雖然和2019年的故障原因完全無關,但又是低層次質量問題反覆出現,這在一定程度上說明義大利的主承包商艾維歐公司可能在管理上存在一定的問題。

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