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人类航天历史上的那些心酸故事

2017-7-8 16:06| 发布者: 北极蚊子| 查看: 346| 评论: 0

摘要: 本文转自微博用户:超级loveovergold原创大量的航天发射故障分析的背后发现,除了火箭工况特殊,存在技术研发难度,尤其是低温液体推进剂加注、泵送、燃烧、冷却等难度特别大,说实话这些技术问题是有一定的发生概率 ...

本文转自微博用户:超级loveovergold原创

大量的航天发射故障分析的背后发现,除了火箭工况特殊,存在技术研发难度,尤其是低温液体推进剂加注、泵送、燃烧、冷却等难度特别大,说实话这些技术问题是有一定的发生概率的 ,但大量的故障原因根本上却是管理的问题,包括制度不健全、职责不清、行政命令指挥、流程不完善、执行不力、工作作风敷衍、未闭环管理等问题。

本人从事管理工作多年,在写本文的时候没有挑选诸如日本LE-7液氢泵叶轮气蚀事故、ATK"天鹅座"货运飞船发射事故(NK-33质量问题)、阿里安5首发内存溢出事故等偏技术问题类型,入选的是痛心的、是管理上本可以避免的、却又造成大量人员和财产损失的案例,非常建议对这些案例反思并彻底改变上述提到的问题!

开篇不多讲,先看几个案例!

一、领导瞎指挥----人类历史上一次性伤亡最惨烈的事故

1960年10月,在苏联的拜克努尔火箭发射场(位于现在的哈萨克斯坦境内)发生了一起火箭爆炸事故。这次事故炸死了约200名苏联火箭专家、工程师和前苏联国防部副部长、战略火箭部队司令米·伊·聂德林元帅。对这场灾难苏联官方一直讳莫如深,直到30年后,几个在事故中幸免于难的生还者才向外界透露了这次事故的内幕。

(一)政治献礼的早产儿

火箭如果采用液氧燃料,明显的缺点就是它所需的冷冻罐和制氧装置等一切有关设备,很难逃脱间谍飞机以及后来的卫星侦察。苏共总书记赫鲁晓夫就要求火箭专家们尽快研制出容易隐蔽的常温液体燃料火箭。不久,火箭总设计师米凯依尔·杨格尔设计的采用二甲基肼(UDMH (Heptyl))和硝酸混合物作燃料的SS-7火箭就问世了。严格地讲,这种新型火箭还不够完善,在安全性上并不是很有把握,这在科学研究过程中是正常的现象。但偏偏在这个时候,赫鲁晓夫出访美国,为了在谈判桌上多一些讨价还价的筹码,他下令战略火箭部队用尚未使用过的新型火箭,作为洲际运载火箭,向夏威夷以南1000公里的海区发射。要求SS-7火箭必须能匹敌或超过美国大力神和雷神火箭,尽管火箭专家们对SS-7火箭并没有很大把握,但迫于赫鲁晓夫的压力,还是匆匆忙忙执行发射命令。

SS-7 'Saddler'(马鞍)弹道导弹

SS-7 'Saddler'(马鞍)弹道导弹

(二)官大一级压死人

发射原定于1960年10月23日,由于火箭第一级的阀门出了故障,发射现场总指挥杨格尔向聂德林元帅报告,火箭不能如期发射,要延期5天。但聂德林不同意延期5天,只宽限了一天,改在24日夜晚发射。杨格尔说这样太冒险,坚持要推迟5天。聂德林元帅就举出三条理由:

1.苏联已向全世界宣布,向太平洋发射运载火箭;

2.他相信苏维埃的火箭不会失败,因为社会主义制度优于美国的资本主义制度,美国的大力神火箭才会出事;

3.也就是最重要的一条,苏联的国家元首赫鲁晓夫此刻正在美国访问,此时发射意义重大,是政治性发射,赫鲁晓夫正在美国等待着发射的消息,要宣布苏联拥有新的洲际导弹。

作为一个科学家杨格尔还是“固执己见”。聂德林就不客气地搬出“请执行命令”的纪律法宝,有理无权的杨格尔只好违心地服从了。火箭已安装在拜克努尔发射场第41号发射台,聂德林元帅心急火燎竟违犯规定,决定就地进行维修,不必放空燃料。修复后仍有点滴泄漏,但元帅认为不致危及火箭,别的火箭专家对这次政治性发射也不敢发表不同意见。

24日夜晚,杨格尔向聂德林元帅报告:“一切准备就绪⋯⋯”元帅的脸上露出得意的笑容。他十分高兴,因为命令毕竟统治科学。火箭总设计师杨格尔的心却缩作一团⋯⋯

(三)违反安全制度的瞎指挥

火箭首次发射是一件大事,聂德林亲临现场督阵。他一如既往坐在发射台不远的地方,自以为在发射安全线之内,心事重重的杨格尔好心地提醒元帅在发射时务必到地下掩蔽部去,元帅却不以为然:“苏维埃军人是不怕死的,我要将现场亲眼目睹的发射情景向远在大洋彼岸的赫鲁晓夫报告⋯⋯”聂德林不肯去地下掩蔽部,大部分专家也只好跟随其后而不去掩蔽部。聂德林与他的部下们谈笑风生,万万没有料到灭顶之灾就要降临。在发射倒记时第30秒钟时,SS-7火箭突然猛烈爆炸,元帅和火箭专家们全部葬身火海。待到灰飞烟灭,发射台已荡然无存。少数几个人虽幸免于难,但多年神志昏迷,大都成了残废。

几天后,莫斯科的报纸登出了聂德林元帅“死于空难”的讣告。对这场灾难只字不提。事过30年后,终于在第41号发射台原址,举行了这起火箭事故30周年纪念仪式。几个死里逃生的幸存者也被允许讲述当年事故的实情,外界才了解到火箭史上这起最大灾难的一些真相。

二、焊料出错----人类历史上一次性伤亡第二惨烈的事故

对,还是苏联,毛子的航天史是无数鲜血铸就的……

1990年苏联政府在向驻莫斯科的外国记者开放了位于莫斯科北部860公里处的普列谢茨克(Plesetsk)航天飞行中心。与此同时, 还证实了该中心在1980年火箭由于爆炸造成50人死亡的航天开发史上最大的严重事故。

“东方号”系列运载火箭是世界上第一个运载火箭系列,包括“卫星号”、“月球号”、“东方号”、“上升号”、“闪电号”、“联盟号”、“进步号”等型号,是苏联发射第一颗人造卫星和第一艘载人飞船的运载火箭。

1980年3月18日, 正在加注推进剂的东方号(Vostok-2M)运载火箭在发射台上突然爆炸,烧死了45名技术人员当场被炸死, 另有5名烧伤严重,被送往医院后也死了。

东方号芯一级RD-107是液氧煤油发动机,涡轮泵采用H2O2催化分解产生的高温气体作为驱动工质,对类似但避免的事故的调查显示,在过氧化氢过滤器中用铅基焊料替代锡基焊料,导致H2O2分解,从而引起爆炸。

Vostok 8K72K rocket on display in Moscow at the All Russia Exhibition CentreVostok 8K72K rocket on display in Moscow at the All Russia Exhibition Centre

老是黑毛子,不行,我调整一下!

三、究竟是公制,还是帝制?----3亿2760万美元买的教训

秦始皇在两千多年前就统一了中国的度量衡,但到目前在欧美还存在公制、帝制两种不同的度量衡单位,导致的事故不胜枚举。这里就黑一下美帝。

火星气候探测者号(Mars Climate Orbiter)是1998年浩大的火星研究计划中的一部分,天文学家计划利用火星气候探测者号来研究火星大气层、火星气候及火星地表,并帮助火星极地着陆者号与地球来通讯。1998年12月11日于佛罗里达州 卡纳维拉尔角空军基地 17号航天发射复合体发射,运载火箭为德尔他II 7425,7000系列重型火箭,二级采用TR-201,9个GEM-46固推。火箭最后的相对速度为每秒5.5公里,并将探测器送往6亿6900万公里外的目标 ,不过火星气候探测者号后来在1999年9月23日在进入火星轨道的过程中失去联络,最终任务失败。

火星气候探测者号

令人诧异的失败原因

1999年11月10日,火星气候轨道器事故调查委员会发布了第一阶段报告,详细介绍可能导致探测器发生事故的问题。

火星也有大气,火星气候探测者号能够存活的最低高度为80公里,天文学家在1999年9月8日完成弹道修正机动的计算,随后在1999年9月15日执行,目的是让探测器调整至最佳位置以进入火星轨道。科学家发现火星气候探测者号最后的高度只有57公里,很有可能因为大气压力导致探测器瓦解。

任务失败的主要原因是人为失误!火星气候探测者号上的飞行系统软件使用公制单位牛顿计算推进器动力,而地面人员输入的方向校正量和推进器参数则使用英制单位磅力。进一步调查发现,是项目小组的一位成员使用英制计量单位,而不是NASA运用的公制计量单位。

火星气候探测者号总成本是3亿2760万美元(包含轨道卫星及着陆卫星),花费1亿9310万美元来研发,花费9170万美元来发射,花费4280万美元来进行探测任务。

实际上这次失败同样也是管理的问题,因计量单位混淆的错误在此后的所有任务中被NASA小心地避免。

四、价值3.06亿美元的一块碎布---保险公司领导哭晕在卫生间

1990年2月22日阿里安44L火箭在法属圭亚那的发射,执行第36次发射任务。此次发射要把日本的两颗通信卫星—超鸟1B和BS-2X发射升空,两颗卫星总载荷为5.3吨,保险金额分别为2.16亿和0.9亿美元。然而发射后100秒发生了爆炸事故。

阿里安44L当年的发射剪辑,不太好找的视频

7人调查组曾怀疑发射失败的直接原因是第一级火箭上5台Viking5主发动机中有一台的压力急速下降。但根据箭上设备遥测数据提供的各种线索进行分析后认为 , 一个担负冷却发动机任务的水管几乎全部被堵塞 , 能够通过的水量只有正常供水量的3%。

调查人员在圭亚那航天中心的发射场附近找到的阀门残件证实了这一怀疑,并发现有一块布堵住了阀门。4月10日 ,阀门和有关的管子运回法国。4月13日,这一套组件在巴黎附近的萨克莱喷气发动机试验中心进行检测,但已经可以断定,失事的原因是一块布堵塞了冷却管道。这块布的尺寸约为30 毫米×20毫米,可能是工作人员擦拭管道内部时因疏忽大意而遗留在里面的。供水管道的 内径为40毫米,管道长11米 , 它是从位于第一级火箭中部的水箱连到Viking5发动机的, 用于向发动机供水,以冷却第一级涡轮。织物进人供水系统, 将阀门部分阻塞。火箭发射后6.2秒, 由于阀门被堵, 水流不畅, 导致冷却不足。

阿里安44L的故障示意图阿里安44L的故障示意图

承保的美国通用电气公司和阿里安的保险子公司S3R损失惨重。

五、其实可以避免的挑战者号航天飞机的事故

事故发生时的录像

1986年1月28日,挑战者号航天飞机发射后65秒时,航天员斯克比向地面报告“主发动机已加大”,“明白,全速前进”是地面测控中心收听到的最后一句报告词。第73秒时,高度16600米,航天飞机突然闪出一团亮光,外挂燃料箱凌空爆炸,航天飞机被炸得粉碎,与地面的通讯猝然中断,监控中心屏幕上的数据陡然全部消失。挑战者号变成了一团大火,两枚失去控制的固体助推火箭脱离火球被引爆。七名机组人员全部遇难全世界为此震惊!众所周知的原因是低温导致航天飞机固体助推器O型密封圈硬化、失效导致。

命运多舛的“挑战者”号航天飞机发射前,LC-39B发射台上的设备已经结冰

但事实上这起事故完全可以避免。

航天飞机的固体助推器在发射后的头两分钟内,与航天飞机的主发动机一同工作,到达一定高度后,与航天飞机分离,前锥段里降落伞系统启动,使其降落在大西洋上,可回收重复使用。

(一)问题早6个月已发现

航天飞机的助推火箭为4段式固体助推火箭,每段之间接合处采用两条名为“O圈”的橡胶密封圈,可以随着钢钢质壳体一起扩张,并能弥合缝隙。但这两条橡胶带与钢圈脱离哪怕0.2秒,助推器的燃料就会发生泄漏,固态火箭助推器就会爆炸。

“挑战者”发射那天,天气非常寒冷。气温降低后,这些“O圈”就变得非常坚硬,伸缩就更加困难。坚硬的“O圈”伸缩的速度变慢,密封的效果就大打折扣。虽然那可能只是零点几秒的时间,但足以把一次本应成功的发射变成一场灾难。

“挑战者”的悲剧在于, Thiokol 公司(瑟奥科尔公司)工程师博伊斯乔利在发射前6个月就对“O圈”提出质疑,因为在此他曾亲自跑到佛罗里达对上一次发射时使用的火箭进行了检查,让他吃惊的是,第一层“O圈”失灵,热气跑了出来,幸运的是,第二层“O圈”拦住了热气。博伊斯乔利仍保存着当时拍摄的“O圈”照片,本应是蜜色的润滑油被熏成了黑色。第一层“O圈”的很多部分不见了,很显然,它们被烤焦了。他说:“我看到这一切时,心口像堵上了一团棉花。那次发射航天飞机竟然没有爆炸,简直是奇迹!”

SRB分段之间的密封结构剖面,其中B和C分别是文中提到的第一层密封环(base O-ring gasket)和第二层密封环(backup O-ring gasket)

博伊斯乔利的分析引起了宇航局的注意,把“O圈”列入需要认真检查名单。瑟奥科尔公司也成立了一支“特遣部队”,专门解决这一问题。然而,由于器材和人手短缺,课题进展缓慢。作为“特遣部队”一员的博伊斯乔利给瑟奥科尔公司副总裁发去一件备忘录,请求对“O圈”进行全面的更严格的试验。

(二)取悦顾主酿大祸

那天下午,卡纳维拉尔角的气温骤降,发射小组需要听一听专家们的意见。下午6点左右,电话打到犹他州问瑟奥科尔公司的专家们是否对零下5℃发射他们的火箭存有疑虑。专家们的回答是“是”。瑟奥科尔公司的底线是,它不希望依据它的数据库之外的数据飞行,也就是说,气温低于零下12℃绝对不能飞这是迄今为止记录的发射时的最低气温。

讨论进行了近5个小时,宇航局终于表示,它不会不听火箭设计者的建议而强行发射。但就在这个时候,瑟奥科尔公司副总裁请求暂停会议5分钟,瑟奥科尔总裁杰里·马森就开口说:“我们必须作出一个可操作的决定”公司主管为了取悦最主要的客户——宇航局,态度已从“不要发射”变成了“可以发射”

于是,悲剧发生了……

(三)事故回放

发射时气温过低,发射台上已经结冰,造成固定右副燃料舱的O形环硬化,失效。在点火时,火焰从上往下烧O型环要及时膨胀,但O型环已经失效,火焰往外冒,断断续续冒出了黑烟。但是由于燃料中添加了铝,燃烧形成的铝渣堵住了裂缝,在明火冲出裂缝前临时替代了O型环的密封作用。

在爆炸前十几秒,宇航飞船遭到一股强气流,威力相当与卡特里娜飓风。凝结尾出现了不同寻常的“Z”字尾,接下来的震动让铝渣脱落,移除了阻碍明火从接缝处泄漏出来的最后一个屏障,火焰喷射在主燃料舱上,在爆炸前一秒,火焰烧灼让主燃料舱的O型环脱落,造成了主燃料舱底部脱落。助推器的顶端也撞上了主燃料舱的顶部,灼热的气体窜入顶端充满液氧的舱室,导致了大爆炸。在发射后73秒,“挑战者”号在40000公升燃料的爆炸下,炸成了几千个碎片。

这张图片可以清晰的看到SRB的泄露

后记:

商业航天是冷战结束之后近20年的事情。之前由于航天发射多涉及到国家安全、军备竞赛,通常是集举国之力,重点扶持,寡头企业、生产联合体、承包商垄断,缺乏充分的商业竞争,整体的企业管理、生产效率、安全生产责任意识并没有通过现代企业制度得以完善。希望SpaceX等公司能够给整个行业带来一股春风。