2023年全球运载火箭发射故障分析

Sevenv55biecss 2024-09-08 发布于江苏

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2023年是人类开展航天活动以来首次突破200发的年份，全球共进行了223次航天发射任务，其中212次发射成功，将约2890个航天器送入预定轨道；发射失败11次，部分发射失败1次和3次拼车发射服务因故障造成30余个航天器未进入预定轨道。11次发射失败中美国6次，朝鲜2次，日本、中国和伊朗各1次，全球航天发射成功率为95.06%。2023年我国发射67次，发射载荷200余个，其中1颗卫星因1次发射失败未能入轨。

本文按照发射失败的时间介绍了2023年全球运载火箭重大质量事故及原因分析。

美国LauncherOne火箭发射失败

2023年1月10日，维珍轨道公司（Virgin Orbit）在英国康沃尔航天港执行“Start Me Up”任务时发射失败，损失9颗低轨载荷。本次任务采用空基发射，“宇宙女孩”747改装客机飞机升空后，LauncherOne 火箭顺利脱离，一二级分离后，二级发生故障，最终未能入轨成功。

经故障定位，火箭二级发动机NewtonFour的燃料过滤器脱落导致在过滤器下方的燃油泵工作效率下降，减少了发动机的推进剂供给量，反过来又导致发动机在高于额定温度状况下工作，发动机过热导致过早停机。

美国RS1火箭发射失败

2023年1月11日，美国ABL航天系统公司的RS1火箭从美国太平洋航天港发射升空，起飞后10.87秒，一级掉电，造成推进剂阀失效，导致9台E2发动机在232m的高度关闭，火箭失去推力，继续上升2.63s后到达顶点262m并开始下落，在8.81s后坠落在发射台东部约18m处并发生了爆炸。

经过故障定位，升空后10.93 秒，火箭尾部起火，烧坏了关键线束并引发了火箭完全断电，起火归因于发射架准备不充分，火箭下方热量和压力过度集中，羽流再循环，远远超过最初设计的隔热罩承受能力。对此ABL公司确定 22 项改正预防措施，包括重新设计发射架和火焰偏转器、加固封闭装置和安全带以及其他风险防治措施。为了防止羽流再循环，发射架的高度、宽度和排气面积均有增加。

伊朗信使 100火箭发射失败

2023 年 3 月 4 日，伊朗使用信使 100（QAEM-100）运载火箭在沙鲁德航天中心发射Nahid-1 低轨卫星，发射失败，具体原因未公开报道。QAEM-100 使用Rafe固体发动机。该发动机具有复合材料外壳和带推力矢量控制的柔性喷管，并于 2022 年 1 月 13 日进行了首次测试。

日本H3火箭发射失败

2023年3月7日，日本新一代运载火箭H3火箭在种子岛航天中心首飞，搭载ALOS-3光学侦察卫星。起飞重量422吨。火箭起飞后固体助推器SRB-3和一级发动机工作正常，一二级分离后，二级发动机点火失败，最后不得不发出自毁信号，发射失败。

经过调查分析，点火失败的原因是二级电气系统故障。一二级分离后，箭体向二级推进系统控制器发送了点火信号，控制器又将信号传输给二级发动机的控制箱。但是二级推进系统控制器检测到发动机驱动电压和电流异常，并停止向下游设备供电，导致二级发动机不能点火。

故障模拟时，排除了生产时导线磨损或飞行震动等外界物理原因。最后定位到在低轨道真空环境下，PNP电路接通时元器件之间产生电磁激励现象，产生高压放电，击穿了PNP电源。

美国“人族1号”火箭首飞失利

2023年3月23日，美国相对论公司的首枚3D打印火箭“人族1号”(Terran 1)发射。一级飞行正常，一二级分离正常，但二级AeonVac发动机未能顺利点火，此次任务发射失利。在此之前，”人族1号”火箭经历了3次发射中止，分别是因为二级推进剂温度超标、级间分离自动化问题和推进剂压力不足。

经过故障调查，火箭二级点火异常的原因是Aeon真空发动机主阀门响应比预期慢，虽然甲烷泵工作正常，达到了预期压力，但氧泵内产生气泡，没有达到预定压力，最终导致燃气发生器未能点燃。

美国星舰首次试飞失利

2023年4月20日，美国SpaceX公司研制的新型运载火箭“星舰”在美国得克萨斯州博卡奇卡的自建发射场点火起飞。点火起飞后，多台发动机在飞行中出现工作异常，速度、高度严重偏离飞行剖面，飞行约239s后，箭体爆炸解体，发射宣布失败。该组合体是世界首型两级完全重复使用重型运载火箭，全箭高度119m，起飞质量约5000t。

经过调查，在上升过程中，星舰因超重助推器后端泄漏的推进剂起火，最终切断了与主飞行计算机的连接。这导致大多数发动机失去信号，并最终导致星舰控制系统中断。改进措施包括重新设计火箭硬件以防止泄漏和火灾，重新设计发射台提高稳定性，在设计过程中加入更多评审，对包括自主飞行安全系统（AFSS）在内的关键安全系统和组件开展更多分析与测试工作，使用更多变更控制策略等63项。

朝鲜“千里马-1”火箭首次发射失败

2023年5月31日6时27分，朝鲜国家航空航天发展局 (NADA) ，在位于平安北道的西海卫星发射站（Sohae Satellite Launching Station），用其新型“千里马1号（Chollima-1\천리마-1）”火箭发射了“万里镜1号（Malligyong-1\만리경-1）”军事侦察卫星。火箭一级工作正常，但由于二级发动机点火异常，导致发射任务失败。

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朝鲜“千里马-1”火箭二次发射失败

2023年8月24日，朝鲜国家宇宙开发局使用“千里马-1”新型运载火箭，在平安北道铁山郡西海卫星发射场第二次发射侦察卫星“万里镜-1”号。“千里马-1”火箭的第一级和第二级飞行正常，但第三级飞行中应急爆炸系统发生意外，导致发射失败。后续国家宇宙开发局将查明应急爆炸系统的故障原因，10月份还将进行第三次发射。

美国电子号火箭发射失败

2023年9月19日，火箭实验室（Rocket Lab）的电子号（Electron）运载火箭在新西兰玛希亚发射场搭载Capella公司新一代合成孔径雷达(SAR)卫星发射升空，起飞后火箭一级工作正常，二级发动机点火异常导致发射任务失败。

电子号火箭完成了升空、到达Max Q以及一级和二级分离。任务进行到第151秒时，二级高压供电系统的电压异常急剧下降。在不到一秒的时间里，二级完全失去动力，无法达到预定轨道速度来部署有效载荷，随后再入大气层。

调查结果表明，卢瑟福发动机的电机控制器的高压电源系统内出现了意外的电弧，导致二级发动机电池组短路。这是在空间环境中多种因素罕见地相互作用下才产生，包括：叠加交流电和直流电高压提供给供电系统，由系统的发动机电机控制器产生纹波电压；火箭一级和二级之间的级间内存在少量的氦气和氮气；供电系统内绝缘线束出现难以察觉的绝缘故障。

为了确保故障不再出现，火箭实验室实施两项关键改进措施，一项旨在改进地面测试，另一项旨在消除飞行中发生类似电弧的概率，增强故障检测能力。作为为一项冗余功能，火箭实验室修改了电子号火箭的电池框架，加装高电压电源系统，使火箭能够从发射到与Kick末级分离的整个过程中保持最佳的气压，显著降低电弧形成的概率。

中国谷神星一号（遥十一）发射失败

2023年9月21日，谷神星一号（遥十一）运载火箭在酒泉卫星发射中心实施商业发射任务。火箭于12时59分10秒点火升空，飞行约67.50s火箭姿态失稳，发射任务失利。

经过归零分析，谷神星一号（遥十一）运载火箭飞行故障问题定位于一级发动机喷管扩张段烧蚀异常。在喷管扩张段组件螺钉孔加工过程中，由于操作不当导致碳布层产生内部缺陷，造成扩张段烧蚀异常，进而导致一级飞行姿态失稳。

美国星舰第二次试飞失败

2023年11月18日，星舰组合体（S25+B9）第二次试飞。起飞后上升段飞行正常，B9上的33台猛禽发动机全部点火，正常工作。起飞2分43秒后，B9外围30台发动机关机，仅剩余中心3台发动机工作；同时，S25的发动机点火启动。随后，起飞后2分48秒左右，成功实现了级间热分离；同时，B9中圈10台发动机中的9台启动、中心1台发动机关机，并向一侧摆动，实现姿态翻转。起飞3分20秒后，B9所有发动机关机，并出现“快速计划外解体”（RUD）。之后，S25继续飞行，在起飞约3分40秒后，星舰丢失信号，可能触发自主飞行中止系统（AFTS）。

美国阿尔法火箭部分发射失败

2023年12月23日，美国萤火虫公司阿尔法（Alpha）火箭FLTA004任务从范登堡太空军基地发射升空，搭载洛马公司的一颗技术演示卫星，但未能进入预定轨道，发射部分失败。

本次发射，Alpha火箭一级表现良好，二级第一次点火也正常。二级火箭和卫星进入一条216×523公里的近地轨道，轨道倾角 140.02°。按照飞行计划，Alpha火箭计划在发射后40min 对二级进行第二次点火，将椭圆轨道圆化，将近地点的高度由200km提升至约500km，但二级火箭第二次点火异常，未能将卫星送入预定轨道。

结语

2023年的火箭发射故障多数属于动力故障。作为火箭的“动力心脏”，面对极端工作环境，发动机在研制、试验、生产和使用过程中任何微小的异常，都可能迅速发展为破坏性故障，导致发射任务失败，造成巨大的经济损失。总结故障模式，吸取经验教训，及时改进推进系统有助于降低研制成本，提高可靠性。

参考文献：

[1] List of spaceflight launches in July–December 2023 - Wikipedia[EB/OL]. [2024-1-2]. https://en./wiki/List_of_spaceflight_launches_in_July%E2%80%93December_2023.

[2] Virgin Orbit elaborates on potential cause of LauncherOne failure[EB/OL]. [2024-1-2]. https:///virgin-orbit-elaborates-on-potential-cause-of-launcherone-failure/.

[3] 超重-星舰第二次综合飞行试验情况分析[EB/OL]. [2024-1-2]. http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2Mjg4NzI2MA==&mid=2247489272&idx=1&sn=f595d5be93160f623cb166ad125046f9&chksm=ce005acbf977d3dda6375ee6a3e5f55c954891f86df1905277d40bba4d37f32720a966b7b70f#rd.

[4] ABL Closes Investigation Ahead of the Second RS1 Launch | Space Voyaging[EB/OL]. [2024-1-2]. https://www./abl-closes-investigation-ahead-of-the-second-rs1-launch/.

[5] Nahid 2[EB/OL]. [2024-1-2]. https://space./doc_sdat/nahid-2.htm.

[6] Firefly Alpha upper stage malfunction puts payload into wrong orbit[EB/OL]. [2023-12-25]. https:///firefly-alpha-upper-stage-malfunction-puts-payload-into-wrong-orbit/.