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陷入中年危机的俄罗斯上面级火箭(中)——在航天质量日看几起令

发布时间:2019-06-10 18:31 来源:未知 编辑:admin

  原标题:陷入中年危机的俄罗斯上面级火箭(中)——在航天质量日看几起令人匪夷所思的事故

  上期《陷入中年危机的俄罗斯上面级火箭(上)》讲了最近闯祸的Fregat( 军舰鸟)上面级,68次发射,2次失败,应该说安全性还过得去。那么中篇,将介绍苏联/俄罗斯的Block D上面级,还有几起令人匪夷所思的事故,彻底暴露了2010年之后俄罗斯航天生产管理出现的严重问题。

  恰逢今天是3月22日,也就是“航天质量日”,在这个日子里看看俄罗斯近些年因为种种原因出现的几起事故,能起到很好的警示作用。

  Block D研发始于上世纪60年代,1967年3月10日就进行了首次成功的发射。

  Block D上面级原先是苏联L3月球探测组合体开发的,由N1火箭发射。在登月期间,Block D负责在地月之间执行轨道修正、进入绕月轨道的刹车减速,并释放LK载人登月舱下降至月球。他是整个复杂的N1-L3登月火箭的第五级,在俄文中,Д是第五个字母,对应到英文发音,是D,因此有了Block D这个普普通通的名字。

  Block D直径4米,高5.5米,人高马大,球形的为液氧贮箱,环形为煤油贮箱。值得注意的是煤油贮箱被设计成为15度的倾斜,便于燃料沉底之后的抽吸。但从上面级的实际应用场景来看,低矮、紧凑更为实用,能减小整流罩的长度,或在相同整流罩体积下,让出更多空间给卫星。

  主发动机同为科罗廖夫OKB-1设计局研制的RD-58,环保,煤油/液氧!采用富氧分级燃烧循环,液氧/煤油的混合比为2.48,室压7.8MPa,线kN ,线秒,发动机具备多次点火和多天在轨工作能力,该发动机的总燃烧时间(多次燃烧)可达600秒。万向支架允许发动机偏转3°进行俯仰和偏航控制。

  RD-58后续升级为RD-58M、RD-58S、RD-58MF。虽然没有采用高能液氢液氧的,但是OKB-1设计局还是想尽办法提升比冲,在RD-58S型号中采用高能合成煤油( Syntin 煤油)来替代普通火箭煤油。

  航天火箭用煤油,美标称为RP-1(Rocket Propellant-1或Refined Petroleum-1),其规格主要就是12个碳原子的分子,因为没有轻碳分子,RP-1 有较高的燃点,因此比汽油甚至柴油更不容易发生火灾。苏联和俄罗斯的火箭级煤油与RP-1非常相似,称为RG-1,规格非常类似RP-1,但其密度更高,0.82-0.85克每毫升,而RP-1 是0.81克每毫升。

  而Syntin 煤油的化学分子式为C10H16,由具有张力环结构的四种同分异构体组成。与火箭煤油相比,Syntin 煤油的冰点较低,从RP-1的零下40度,改进到零下70度以下,进一步适配空间低温工作要求;相同条件下的动力粘度小,流动性能更优,相同温度下的密度和饱和蒸汽压稍高;传热性能与火箭煤油相当,安全性可控;材料相容性好,存储性能稳定。液氧/Syntin 煤油的理论真空比冲比液氧/火箭煤油相应值高出8~15.3秒,典型的如RD-58S 火箭发动机的线秒,发挥出液氧煤油上面级发动机的潜力。

  为了实现在停泊轨道飞行阶段推进剂的管理,Block D配备了小型的沉底推进器,推进剂为偏二甲肼和四氧化二氮。

  虽然Block D从未有机会在苏联载人登月计划中发挥作用,但事实上,他一不小心成为苏联登月项目中最重要的遗产。与质子火箭搭配,作为其第四级,Block D被用于苏联的绕月和无人月球任务,也用于金星和火星的行星探测任务,还创造了一个第一----第一辆月球车,lunokhod 1,月行者-1号。

  1969年2月和7月在两次N1火箭失败之后,苏联在载人登月竞赛中落败。但在1970年11月10日,苏联用质子K火箭-Block D上面级发射“月球”-17号探测器,7天后把第一辆自动月球车“月行者”-1号送到月球考察,成为了人类历史上第一辆月球车。

  月行者-1号大概一辆昌河面包车的大小,长2.2米,宽1.6米,质量756千克。车分上下两部分:上部分是仪器舱,下部分是自动行走底盘。仪器舱是由镁合金制成的密封舱,它保证仪器仪表在月球上工作时不受外部环境影响,舱内装有无线电遥测设备、供电系统、温控系统等,还载有4台全景摄像机。自动行走底盘下装有8个车轮,每个轮毂都安装了一台电动马达。

  月行者1号在月亮白天充电运行;晚上冬眠,由放射性同位素钋210衰变产生的热量进行保温,保证仪器不因低温而损坏。月球车设计寿命为3个月,实际工作11个月,行程10540米,拍摄了两万多张月面照片。1973年接着又发射了月行者2号,老二成为了长跑冠军,在地外奔跑了42公里,这个记录直到2014年才被美国机遇号火星探测器赶上。

  但事实上,1969年2月19日第一次发射的月行者由于火箭解体,导致放射性钋210散布在俄罗斯的一大片区域……题外话,月行者仪器舱内,设备抵御核辐射的工业设计,后续被用在1986年切尔诺贝利核电站事故处理机器人上。

  由于拜科努尔发射场的位置太靠北,苏联向赤道上空发射卫星是很困难的,要消耗很大能量来改变倾角为46°的轨道面,而且光有强大的基础级火箭还不够,必须要有上面级配合。

  苏联在没有合适的大型运载火箭发射地球静止轨道通信卫星时,只能发射63.4°倾角大椭圆轨道的“闪电”号通信卫星,近地点400公里,远地点40000公里,而该倾角会让远地点锁定在苏联领土上空,保持在苏联境内较长的通信时间,一般采用3~4颗闪电通信卫星实现高纬度地区通信,该轨道,本来称为莫尼亚(Molniya),叫着叫着就被称为了闪电轨道。

  Block D增加了导航模块,升级为合格的上面级----Block DM,并与质子K搭配,使苏联人第一次获得了将人造卫星送入地球静止轨道的能力,“质子K- Block DM”火箭于1974年3月26日、1975年12月22日分别将“宇宙637号”(Космос 637)地球静止轨道试验卫星送入轨道、 “ 虹”实用静止轨道通信卫星发射入轨。

  后续1976年10月26日发射了一颗称为荧光屏试验卫星。荧光屏静止卫星装有一个200瓦的转发器以及由90个小型螺旋天线组成的大天线阵。使用的频率是702-726MHz兆赫,电视机通过室外天线可以直接收看,天地直通,解决了苏联新西伯利亚至伊尔库茨克之间直到蒙古的西北部等偏远地区老百姓看电视的大难题。

  在其发展史上,Block D接受了无数次升级,除上述提到的DM版本,其他比较重要的升级有:

  1、DM-2(1982年):主要型号,广泛用于格洛纳斯及其他商业卫星发射;

  迄今为止,BLOCK D系列一共进行了331次发射,可以说,是仅次于阿金纳最勤奋的上面级!失败和部分失败有41次,包含基础级火箭和上面级的故障。

  回顾2000年以来的90次发射,5次失败,2次部分失败,其中基础级火箭问题4次,上面级问题3次,

  却可以发现,又是管理上的问题,导致了一些本可以避免,但却发生的事故:(一)电气短路却有惊无险,不幸中的万幸

  为了解决高纬度发射导致的低效问题,海上发射公司(Sea Launch)成立于1995年,由俄罗斯、乌克兰、美国、挪威的四家公司组成,俄罗斯负责提供上面级,乌克兰提供天顶火箭,挪威负责提供海上发射平台,波音公司负责管理,在赤道附近使用移动式海上发射平台,发射地球静止轨道通信卫星。

  2004年6月28日,在发射Telstar 18(APStar 5,亚太卫星5号)时,Block DM-SL上面级提前54秒异常关机,把卫星送到了非预期的同步卫星转移轨道(GTO),远地点只有21000公里而非36000公里。幸亏Telstar18(APStar 5)卫星依靠自身的远地点发动机和备份推进剂,终于进入了GEO轨道,并达到了13年预期使用寿命。

  后续的调查得出结论认为,上面级电缆中的电气短路,推进剂流量传感器的数据产生失真,导致发动机消耗的推进剂比预期的多,提前关机。

  不过后续这次蹊跷故障却没有这么走运。Astra 1K,5250 kg重的大容量通信卫星,在2002年11月25日在拜科努尔由质子K火箭发射,用来替换三颗老旧卫星。然而,Block DM-3上面级原定进行3次点火中的第二次,未能按计划执行,卫星被错误地分离搁浅在

  1月10日公布的调查分析指出,RD-58M发动机在第二次点火时出现故障。文章开篇提到,Block D系列主发动机RD-58采用了富氧分级燃烧(又称高压补燃),效率非常高,液氧和煤油的混合比在55~60左右(曾经有网友在留言提到其单位,这里说明一下,是体积,不是质量),过量的氧让煤油燃烧充分,不产生结焦积碳。但是第一次点火后,燃料排放管堵塞,或燃料供应阀出现了泄漏,导致富氧分级燃烧的燃气发生器,出现了过量的煤油。

  因此在第二次点火时,无法正常组织富氧燃烧过程,启动失败。如果说上述两起是生产制造工艺或者偶发的故障,那么接下去要说的这两起,则让

  2010年之后俄罗斯航天的真实管理水平暴露无遗。(二)匪夷所思的燃料加注乌龙

  DM-03, 主要是为了提升性能,DM-03的推进剂储罐比以前的版本大25%,从下图可以看到上部液氧和下部煤油贮箱,都被增加了一截,容积变大;主发动机也升级到RD-58MF。

  2010年12月5日,DM-03上面级首飞,负责将三颗GLONASS卫星送到中地球轨道。以往,用DM-2发射同样的载荷,需要装满约15,000千克推进剂,贮箱加注到约90%的容积。这次载荷一样,Block DM-03只需加注等同的推进剂。

  关于推进剂加注量,Block DM-03照搬了Block DM-2的指令----将贮箱加注到90%的容量,完全忽视了DM-03的推进剂贮箱已经扩容过,推进剂被错误的加注,液氧超载1600公斤,这比任务所需要的推进剂多很多!质子火箭的第三级火箭无法将超重的上面级和载荷送入目标轨道。事故调查的首席检察官办公室得出结论认为:上面级,在没有足够的测试的情况下首飞,违反了空间运载器系统发展、制造和飞行的程序。

  倒霉的Block DM-03,厄运连连!2013年7月2日进行的第二次发射也失败了!

  这次,依旧是发射三颗GLONASS卫星,燃料没有加错,但是质子M火箭,好像是喝伏特加喝高了,发射后,摇摇晃晃,平飞、倒栽葱,断裂解体,燃烧,32秒后在距离发射场约1.4公里的撞击下坠毁并爆炸。

  剧毒的推进剂污染了发射场附近区域,其他几个发射场的工作人员被要求紧急撤离,附近居民呼吸困难的症状增多。

  我们调换了一下顺序,把发射现场录像放在前面,毕竟还是视频来得更直接更震撼一些

  该质子火箭2011年在Khrunichev(赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心)的制造工厂组装完成。角速度传感器的安装于2011年11月进行,是装配过程中的最后一步。火箭被存放,直到2013年5月拜科努尔的死亡之旅。

  质子火箭一级角速度传感器型号为TSE99-6SA,由Zavod Zvezda制造,传感器的形状是上下对称的,因此容易颠倒。

  根据火箭的安装日志,调查委员会找到了传感器的安装技术人员,发现当时进单位才几个月。而要装反,也不是那么容易的事情,因为上图中可以看到,左边6个针脚,其他均为8个针脚。如果颠倒180度安装,这些引脚将与安装盖板孔错位。

  以这种方式安装传感器需要技术人员用蛮力按下去,付出相当大的努力才能错误地安装传感器!调查委员会,在坠毁的质子残骸上找到了盖板相应的凹痕。确认角速度传感器是造成事故的根本原因。事实上,颠倒,并不是不能被发现。传感器的外部都有指示箭头,找了一张该款传感器的安装图,从传感器的后盖上,可以清晰的看到H、ω两个矢量的安装方向,与安装图核对进而可以确定是否正确安装。

  在日志中通过签名找到了相关监督技术员,这位熟悉安装的工程师在进行目视检查过程中显然不认真。

  班组长的交叉复检,这个最基本的工作流程没有执行到位,层层的质量控制失效!

  颠倒的安装,导致角速度传感器向质子飞行计算机提供错误的数据,计算机实施了错误的纠偏,然后……

  三名赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心工程师被控在安装传感器时被控违反安全规则,国防部第1653军事代表处主任指控犯有过失罪。

  两年后,2015年9月14日,Block DM-03执行第三次发射任务,终于顺利的把Ekspress-AM8通信卫星送达预定轨道,证明了自己的存在感。

  写到这里,附上战斗民族的一张照片:2015年3月26日,在哈萨克斯坦拜科努尔发射场,搭载有俄罗斯联盟号TMA-16M宇宙飞船的“联盟-FG”运载火箭即将发射,东正教牧师正为发射祈祷,现场一片严肃……

  下篇,将如约介绍真正让卫星恐慌的质子-微风M上面级,分析现阶段俄罗斯航天究竟怎么了?

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