2024年国内外航天发射领域故障综述
2024年，全球航天发射总计263次，再创历史新高，其中成功255次，失败5次，部分成功3次，共发生8起故障。按照国家统计，5次发射失败，其中，日本2次，中国2次，朝鲜1次；3次部分成功中，美国、欧洲和中国各1次（表1）。表1 2024 年世界航天发射故障情况统计（国家维度）按照运载器型号统计，263次发射任务中，发射失败型号涉及日本的“凯洛斯”（Kairos）、中国的双曲线一号和力箭一号、朝鲜的新型运载火箭。部分成功型号为中国的长征二号丙、美国的猎鹰-9（Falcon-9）和欧洲的阿里安-6（Ariane-6）运载火箭。本文介绍2024年国内外航天发射领域的故障情况（按时间顺序），并对典型故障展开分析。此外，本文还梳理了“超重-星舰”在多次综合飞行试验中以及猎鹰-9火箭在发射任务中发生的多次相关故障。日本太空一号公司“凯洛斯”火箭首飞和复飞失利2024年3月13日，日本航天初创公司太空一号公司（SpaceOne）的小型四级固体火箭“凯洛斯”携带一颗情报卫星从和歌山县串本町纪伊太空港首次发射升空，点火约5秒后火箭在半空中发生爆炸，发射失败。太空一号公司称，火箭的飞行终止系统被触发。8月25日，太空一号公司公布故障情况称，在实际飞行过程中，由于火箭一子级推力低于预计值，导致“自主飞行终止系统”（AFTS）按设计引爆火箭，终止飞行。公司指出，造成火箭推力低于阈值的原因有两个：一是地面缩比试验中，燃速测量错误，造成对发动机推力的预示出现问题，预示值偏高。二是此次飞行是日本首次应用“自主飞行终止系统”，可能将推力阈值设置得过小，导致该系统被触发，引爆火箭。后续，该公司将使用一级发动机缩比验证机进行点火试验，改进推进剂燃烧速度测量技术，并重新审查AFTS安全阈值的设定。2024年12月18日，继首飞失败发生爆炸9个月后，凯洛斯-2火箭在歌山县搭载5颗微型卫星和一尊佛像起飞，约3分7秒后，启动飞行终止系统爆炸自毁，有效载荷未能入轨，复飞失败。凯洛斯-2火箭原定于12月14日发射，因天气原因两次推迟。2024年12月18日，火箭起飞约1分20秒后，一子级发动机摇摆结构控制故障，喷管角度过大，无法保持姿态，开始向西螺旋旋转，偏离原定的南向飞行路径。2分21秒后（原定2分28秒），一子级分离，二子级发动机点火，仍处于旋转失稳的状态。2分48秒后（与计划飞行时序相同），整流罩分离，但因火箭即将超出预设的飞行范围，箭上自主飞行控制系统判定无法安全飞行，即将到达飞行极限，因此在3分7秒左右、高度约110.7km处启动飞行终止系统爆炸自毁，未达到有效载荷部署高度（500km）。长征二号丙火箭发射部分成功2024年3月13日，长征二号丙运载火箭搭载DRO-A/B卫星从西昌发射场3号工位发射升空，火箭一二级飞行正常，上面级飞行异常，导致卫星未准确进入预定轨道，发射部分成功。朝鲜新型运载火箭首飞失利2024年5月27日，朝鲜新研制的液体运载火箭执行首飞任务。由于火箭一子级液氧煤油发动机出现故障，火箭在空中爆炸解体，发射任务失利。朝鲜方面未公布故障原因。欧洲阿里安-6火箭首飞失利2024年7月10日，阿里安-6火箭执行首飞（图1），部分有效载荷发射至预定轨道后，因新研制的辅助动力单元在二子级二次关机后的滑行过程中提前关机，导致二子级“芬奇”（Vinci）氢氧主发动机第三次启动异常，2个再入舱载荷未能分离，二子级也未能实现钝化离轨。2024年9月16日，经阿里安航天公司（ArianeSpace）调查，阿里安-6首飞箭的故障原因是某个温度传感器测量值超出了预设的上限值，触发了上面级“辅助动力单元”（APU）关闭指令，上面级长时间滑行阶段APU不再启动，一直处于无动力状态，使得发动机无法进行最后一次点火，首飞任务的再入点火等动作无法完成。后续，设计人员将基于火箭首飞数据，对软件进行改进，调整APU的预冷时序，以解决故障，并不需要对火箭硬件进行任何更改。阿里安航天公司表示将在火箭第二次发射前完成上述软件的修复工作。中国星际荣耀公司双曲线一号火箭发射失利2024年7月11日，双曲线一号小型固体运载火箭执行第7次发射任务，火箭四子级工作异常，发射任务失利，这是该型火箭第4次失利。双曲线一号遥八运载火箭飞行失利后，星际荣耀公司对故障分析形成的52项事件进行分析和排查。针对单机产品，开展了单机故障复现、力学环境摸底、机理量化分析、措施验证等工作，共完成19项验证试验。针对火箭系统，开展了系统故障复现、力学环境分析及验证、结构模态和动态性分析、系统仿真验证等工作，开展了1次四级模态试验和3次四级分离冲击试验，共4项总体大型地面试验，确保了更改措施影响分析全面、试验验证充分。针对火箭力学环境适应性进行了举一反三，对力学环境条件、各单机和分系统试验验证情况进行了64项专项复查，对发现的不足进行了及时补充完善和试验验证。2024年10月26日，星际荣耀通过了双曲线一号遥八运载火箭飞行故障归零评审。美国太空探索技术公司猎鹰-9火箭发射部分成功2024年7月12日，美国太空探索技术公司（SpaceX）猎鹰-9火箭执行星链9-3（Starlink9-3）发射任务时，火箭一子级在上升、子级分离和返回着陆阶段表现正常（图2）。但在火箭二子级发动机第一次点火期间，发动机周围的隔热层内出现了液氧泄漏。在二子级发动机二次启动时出现异常，无法完成二次点火，发射任务失利。2024年7月25日，SpaceX查明了故障原因：连接火箭液氧系统的压力传感器管路出现裂缝。该条管路因发动机振动产生的高负载，以及用于约束管路的夹具松动，导致疲劳进而破裂。尽管出现泄漏问题，火箭二子级发动机在第一次点火期间仍保持运转，并完成发动机关机，进入预定的椭圆形停泊轨道，开始滑行。接下来，火箭二子级发动机本应进行第二次点火，以使轨道圆化。然而，液氧泄漏导致发动机部件过度冷却，影响了向发动机输送点火剂的相关部件，进而导致二子级发动机发生硬启动，损坏了发动机部件，并导致火箭二子级随后失去了姿态控制能力。火箭二子级仍按设计继续运行，部署了“星链”卫星并完成了钝化。“星链”团队随后与卫星取得联系，试图提升高度，但由于卫星近地点距离地球仅有135km，处于极高的阻力环境中，最终全部再入大气层。SpaceX工程团队对其所有运载火箭和地面系统进行了全面彻底的检查，以尽快恢复发射。对于接下来将发射的“猎鹰”系列火箭，二子级发动机上曾发生故障的管路和传感器将被移除，飞行安全系统不会使用该传感器，可以使用发动机上的备用传感器代替其工作。这一设计变更，已在麦格雷戈试验设施通过地面试车进行了验证。在此过程中，美国联邦航空管理局（FAA）强化了鉴定分析和监管，SpaceX调查小组也参与其中，同时，针对当前所有在用的猎鹰-9火箭一子级也进行了额外的鉴定审查、检测和清理，并在选定的位置主动进行了更换。中国中科宇航公司力箭一号火箭发射失利2024年12月27日，力箭一号遥六运载火箭在东风商业航天创新试验区点火升空，火箭一、二级飞行正常，三级发动机点火约3秒后姿态失稳，箭上自主安全控制系统实施自毁，发射任务失利。2025年1月21日，中科宇航通过了力箭一号遥六运载火箭飞行故障调查结果审查会。调查结果显示，本次失利故障最大可能原因为：三级伺服热电池在返工过程中，外力造成内部激活回路导线损伤，在飞行过程中的随机振动等力学环境作用下疲劳断裂，致使电池组未能正常输出，导致三级伺服机构未按指令动作进而造成姿态失稳、火箭自毁、任务失利。后续，中科宇航将采取一系列技术改进措施进一步提高火箭发射和飞行可靠性；加强外包产品的质量过程管控，进一步降低风险，不遗余力确保后续任务成功。SpaceX“超重-星舰”综合飞行试验中出现的故障（1）第三次综合飞行试验（IFT-3）2024年3月14日，“超重-星舰”进行IFT-3任务（图2）。“超重”助推级完成调姿机动、减速机动、滑行后在进行着陆减速的过程中，由于向发动机供应液氧的过滤器持续堵塞，导致发动机氧气涡轮泵入口压力损失过大，13台中央发动机中的6台提前关闭，在试执行着陆燃烧时处于离线状态，未实现海面上软着陆的预定目标。“星舰”飞船级在滑行期间滚转速率过高，导致在轨发动机二次启动测试未能进行，并在再入过程中失联。此外，防热瓦在上升过程中出现脱落现象。美国联邦航空管理局按照四级故障标准将此次发射结果定义为“故障”。“星舰”飞船在IFT-3中的主要问题在于再入返回期间姿态控制异常，使“星舰”表面承受的热量比预期的要大得多，极有可能导致结构热失效。SpaceX认为，造成“星舰”意外滚转最可能的原因是负责滚动控制的阀门堵塞。针对“超重”助推级发动机提前关机的情况，SpaceX对“超重”助推级的氧气贮箱内部进行了硬件改进，进一步提高推进剂过滤能力，并添加了新的硬件和软件，以提高“猛禽”发动机在着陆条件下启动的可靠性。而为了解决“星舰”飞船级在返回期间不受控滚转，SpaceX在后续的“星舰”飞船PEZ分配器舱门下方增加了新的侧滚控制推力器，改善姿态控制冗余，并升级硬件以提高抗堵塞能力。（2）第四次综合飞行试验（IFT-4）2024年6月6日，“超重-星舰”进行IFT-4，起飞后4秒，“超重”助推级33台发动机中的1台外圈发动机异常关机，但由于设计时有3台发动机左右的冗余，并未影响火箭飞行。在“超重”助推级的返回过程中，13台发动机中也有1台发动机未能启动，但“超重”助推级仍在墨西哥湾成功溅落回收。SpaceX在后续针对“超重”助推级的整改中，在“星链”终端方面，覆盖压力容器的长排整流罩上的“星链”终端经过重新设计，采用方形天线，而不是旧的圆形天线。关于发动机防热层，包裹在发动机防护罩底部的黑色材料已被移除，取而代之的是防护罩上闪亮的钢边。在推进剂贮箱方面，可能会有额外的推进剂燃料箱，总共9个，共分为3组，为着陆增加额外的氧气。（3）第五次综合飞行试验（IFT-5）2024年10月13日，“超重-星舰”进行IFT-5，“超重”助推级在下降时，“猛禽”发动机出现一个参数“错误”，导致返回动力低于预期。SpaceX原计划放弃用夹具回收，让火箭在发射塔旁地面硬着陆，最后一秒才更改为使用机械臂回收。此外，“超重”助推器下降时，纵向结构的一个保护罩脱落。返回后的“超重”助推器的长排罩处有结构破损，可能是由于发动机产生热羽流冲击或气动力造成的。另外，在一级底部的脐带接口处有比较明显的起火故障。在后续的改进工作中，SpaceX增加关键区域的结构强度和支撑，如长排罩增加铆钉固定。两个飞行终止系统（FTS）安装盒位置都有轻微调整，顶部FTS安装盒采用了与底部FTS安装盒同样的设计，与左前侧线槽的连接更为简化。左前侧线槽经过重新设计，并稍微延伸至助推级顶部。助推级侧面的“牛铃”（Cowbell）通风口采用了全新、更小的设计。（4）第六次综合飞行试验（IFT-6）2024年11月20日，“超重-星舰”进行IFT-6，两级分离后，开始返回发射场。在此期间，发射和捕获塔架上的运行状况自动检查系统触发了终止捕获回收的命令，随后“超重”助推级执行了预先计划的转向机动，在墨西哥湾受控溅落。在后续的改进工作中，动力系统方面，短期的改进重点在发动机热防护、防火功能和发动机关机逻辑等方面。由于更多的热防护，增加了系统的结构质量，这也可能是SpaceX最终决定采用热分离的原因之一。而长期的改进重点在液氧阀门设计、阀门密封结构，以及歧管设计等。此外，SpaceX还持续推进“猛禽”发动机的升级，已经迭代到第三代“猛禽”，实现了设计方案的极简化。第三代“猛禽”发动机（猛禽-V3）设计海平面推力280t，真空比冲为350s，结构质量仅为1525kg，并在2024年8月完成首次试车。猎鹰-9火箭在发射任务中发生多次故障（1）猎鹰-9火箭一子级海上回收着陆后爆炸2024年8月28日，猎鹰-9执行星链8-6的发射任务，成功将21颗“星链”卫星送入轨道，但火箭一子级按计划落回海上回收船后发生了爆燃，随即倾倒，最后落入海中。（2）猎鹰-9火箭二子级离轨异常2024年9月29日，猎鹰-9火箭执行乘员-9（Crew-9）载人发射任务，飞船于9月30日与“国际空间站”（ISS）的“和谐”（Harmony）舱前向端口对接。主要任务顺利完成，但火箭二子级在最后一次离轨点火工作燃烧时发生异常，导致其在新西兰以东的南太平洋的非指定区域再入。验证不充分导致新研型号和成熟型号发射失利日本“凯洛斯”火箭因地面缩比试验中未能检测到发动机推力预示值偏高，导致实际发射过程中发动机推力低于预计值，触发飞行终止系统；猎鹰-9火箭已连续成功325次，因未能检测出压力传感器管路夹具松动导致发射失利。上述情况表明，无论是新研产品还是成熟产品，都需要进行充分的试验验证，发现并排除质量风险隐患，提高运载火箭发射时的成功率。动力系统故障是导致型号发射失利的关键因素欧洲阿里安-6、日本“凯洛斯”和朝鲜新型运载火箭故障均与动力系统相关。而根据世界航天发射故障的历史统计，动力系统发生故障的案例占比超过半数。警示我们，动力系统是运载火箭系统设计、生产和试验等各个环节中的关键所在，其质量与可靠性需引起高度关注。应保证动力系统的试验充分性与测试覆盖性，加强产品过程质量控制。2024年全球宇航发射次数再创新高，发射失利的次数相比以往也有所下降。但蓝色起源公司、火箭实验室（RocketLab）、ABL航天系统公司（ABLSpaceSystem）和奥斯堡火箭工厂（RFA）等多家商业公司的在研型号，由于各种原因未能按计划执行发射。这些商业航天公司的在研型号的发射推迟，再加上成熟型号的频繁利用，使发射失利的占比看似有所降低。实际上，在本年度的发射故障案例中，猎鹰-9火箭作为成熟的典型型号产品因地面试验检测不充分而导致故障发生，发射失利；双曲线一号和力箭一号作为此前完成多次商业发射任务的固体型号也因出现故障，导致发射失利。由此可见，运载火箭作为复杂系统，型号产品的研制成功并非一蹴而就。加强对型号研制各环节的质量管理，是确保型号研制成功的前提。航天是高风险事业，质量是航天的生命。当前，全球宇航市场发射需求日益增长，发射次数持续攀升，更应该重视型号产品的质量管理，对成熟型号产品进行全面的检测，杜绝低层次质量问题；对新研产品进行充分的试验验证，排除技术风险，为发射成功提供保障。
