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安全是民营航天的生命线

2014-12-25黄志澄

国际太空 2014年12期
关键词:美国航空航天局太空船瑞斯

2014年10月底,美国发生的两次航天事故成为了国内外媒体的热点。事故虽然不会改变美国对载人航天商业化的既定政策,但事故揭示的安全问题对民营航天发展的重要性,对我国刚刚起步的民营航天,也提供了深刻的启示。

1 “安塔瑞斯”火箭爆炸事故

美国东部时间2014年10月28日18:22,美国轨道科学公司(OSC)发射安塔瑞斯-130(Antares-130)运载火箭,拟将装有2300kg补给的“天鹅座”(Cygnus)货运飞船运往“国际空间站”。在火箭点火升空6s后发生了爆炸,箭船同时炸毁。目前,轨道科学公司和美国航空航天局(NASA)正在对事故原因进行深入调查。

“安塔瑞斯”火箭爆炸现场

AJ26发动机

这次发射任务是美国航空航天局“商业轨道运输服务”(COTS)项目的组成部分。2008年12月,美国航空航天局与轨道科学公司签订了价值19亿美元的合同,用轨道科学公司制造的“安塔瑞斯”火箭和“天鹅座”飞船,执行8次向“国际空间站”的运货任务。这次发射是继2014年1月和7月完成两次货运任务后执行的第三次任务。当时,美国航空航天局也与太空探索技术(SpaceX)公司签订了价值16亿美元的合同,用他们制造的猎鹰-9(Falcon-9)火箭和“龙”(Dragon)飞船 ,执行了12次货运任务。到目前为止,太空探索技术公司已经完成了4次任务,没有出现意外。2014年9月,美国航空航天局还与太空探索技术公司和波音公司签署了68亿美元的合同,资助他们研制载人飞船,并在2017年开始执行将航天员送往“国际空间站”的任务。

安塔瑞斯-130是一种两级固液混合使用的运载火箭,第一级采用两台富氧分级燃烧的液氧/煤油火箭发动机AJ26。第二级采用固体火箭发动机卡斯托-30XL。该火箭的近地轨道运载能力为4100kg。这次用的火箭与前两次的差别在于第二级的固体火箭发动机略有不同。从飞行时序上判断,这次事故正好处于第一级发动机刚刚点火启动,而如此强烈的爆炸,极有可能是第一级AJ26发动机出现了故障。AJ26发动机原是苏联研制的NK-33液氧/煤油发动机。它曾用在苏联N-1登月火箭上,但N-1火箭曾接连发射失败。20世纪90年代,美国航空喷气洛克达因公司(Aerojet Rocketdyne)向俄罗斯购买了12台NK-33发动机,并在略作改造后提供给轨道科学公司使用。2014年5月,有1台发动机在地面测试时也曾爆炸,原因确定是应力疲劳断裂。轨道科学公司在初步调查后于2014年11月5日声明说:“初步证据和分析都指向一个可能与涡轮相关的故障,火箭第一级使用了两台AJ26主发动机,其中一个出现与涡轮相关的故障。因此, ‘安塔瑞斯’火箭今后可能会停止使用这种发动机。”

2 太空船-2空中解体事故

美国东部时间2014年10月31日12:20,英国维珍银河公司的太空船-2(Spaceship-2)由白骑士-2(White Knight-2)搭载,从美国莫哈维航空航天港起飞。50min后,太空船-2与载机分离,但不久,太空船-2飞行出现异常,接着就坠落于莫哈维航空航天港以北40km处。这是太空船-2在最近9个月以来的第一次火箭动力飞行。事故导致副驾驶员死亡,驾驶员重伤。当天,美国国家运输安全委员会(NTSB)宣布,已组成工作组前往莫哈维调查此次事故。美国联邦航空局称也将调查此次事故。该公司原计划在2015年进行第一次亚轨道商业飞行,由于这次事故将使这次飞行后推。

太空船-2在空中发生事故

太空船-2搭载在白骑士-2上

太空船-2是一种亚轨道航天飞机,翼展8.2m、长18m、高4.6m,载人舱长3.7m,直径2.3m。它能够承载2名飞行员和6名乘客。它由载机携带至15km高度后在空中发射。在与载机分离后,它的单台固液混合火箭发动机点火,推动飞机进行超声速飞行,最高速度能够达到4000km/h。发动机工作70s后关机,然后依靠惯性可让飞机飞行至110km高度。在这次飞行中,它首次使用了维珍银河公司(Virgin Galactic)自己研制的一种采用新的基于聚酰胺燃料的发动机。在以前的试验飞行中,均使用由美国内华达山脉公司(SNC)研制的以端羟基聚丁二烯为燃料的发动机。

太空船-2的设计方案和此前研制和发射成功的太空船-1类似,但其座舱更为宽敞。宽度达0.5m的舷窗,提供了更好的视野。维珍银河公司宣布每人每次亚轨道飞行的费用约为25万美元。目前,世界各地已有700多人预定了船票。

美国国家运输安全委员会代理主席克里斯托弗·哈特在2日说,对太空船-2事故的初步调查表明,截至事故发生时,太空船-2的燃料箱和发动机均完好无损;但发现飞机的再入大气层的羽状减速系统出了问题。这个系统应在上升段飞行速度达到Ma1.4时解锁,但现在提早到Ma1.0就解锁了,从而由于承受较大的气动载荷导致飞机解体,但要正式确定事故的原因,尚需时日。

3 吸取教训继续前行

由于这两起事故原定的任务不同,因此产生的影响也各不相同。“安塔瑞斯”的发射任务是为“国际空间站”运货,而太空船-2则是为开拓太空旅游业务而进行的飞行试验。

这次“安塔瑞斯”事故在短期内会对美国载人航天的商业化产生一定的影响,但远比美国航天飞机的两次事故的影响要小,其主要的损失将由保险公司来承担。事故可能会影响轨道科学公司执行美国航空航天局的“商业轨道运输服务”任务的进度;但轨道科学公司表示,最近的两次任务将使用其他火箭来发射。这次事故也将会激发美国航天界努力去改变美国在液氧/煤油火箭发动机方面目前依靠俄罗斯技术的现状。总之,这次事故将不会改变美国既定的载人航天商业化的政策。美国航空航天局载人航天部副主任威廉·杰尔斯坦梅尔对这次事故表态说:“轨道科学公司在今年的前两次任中,已经展示了非凡的能力。我们知道他们可以复制这样的成功。发射火箭是一个极其困难的任务,我们从每次成功和挫折中都会吸取教训。今天的发射,不会阻挠我们扩大从美国海岸到‘国际空间站’已经取得成功的运货能力。”

这次太空船-2事故对太空旅游将会产生较大影响,英国的《金融时报》甚至发表文章,对太空船-2的前景提出质疑,建议这家公司应该改变方向,从事发射卫星和空间探测器的任务。但从事后的反应来看,事故只可能会延迟这家公司投入商业运行的时间。目前虽有20多人退票,但多数人仍然信任这家公司,这与维珍银河公司老板布兰森出色的危机公关能力有关。在事故发生后的第二天,他在事故现场发誓要继续前行,但确保安全是关键。他说:“维珍银河公司的工程师了解其中的风险,我们不会盲目推进。对这场悲剧影响到的人来说,盲目推进就是一种侮辱。我们要从错误中学习,探索如何提高安全性和性能,然后才能再一起向前。”布兰森还再次表示,2015年带自己的儿子和3名乘客一起上太空。由此可见,这次事故将不会改变发展私人太空旅游的大趋势。除了维珍银河公司外,美国的XCOR公司研制的“山猫”亚轨道飞机也即将试飞。

这两次事故有一个共同的教训,就是民营航天企业必须高度重视飞行器的可靠性和安全性,安全是民营航天的生命线。特别是对于太空船-2,这种由载机发射载人轨道飞机的创新方案,由于技术成熟度较低,风险远大于火箭和轨道飞行器,其软肋必然是它的安全性。维珍银河公司的CEO怀特·霍恩曾半开玩笑地说,“我们在这场竞争中没有对手,除了安全。”设计师鲁坦也曾对媒体说:“如果有人告诉你新型太空船的安全水平可与现代客机相媲美,千万不要相信这些人的鬼话。”太空船-2要求多次重复使用,对材料的抗疲劳性和元器件耐久性提出了苛刻的要求。众所周知,只要提高对系统可靠性的要求,其成本就会以指数上升,因此,必须在创新与安全之间找到平衡点。有专家建议,为了提高安全性,太空船-2必须遵守“一次故障正常、二次故障安全”的安全准则。

美国航空航天局航天员焦立中对美国有线电视新闻网(CNN)说:“毫无疑问,会引起批评,责问为什么我们要委托商业公司来运送货物和未来的人员交换。答案很简单:这是技术和商业化的合乎逻辑的革新。飞机和商业航空运输的发展,也遵循过同样的发展路径。事故是痛苦的,但它只是航天商业化路上的一个小小障碍而已。”

在11月3日出版的一期美国《航空周刊与航天技术》中,刊发了主编乔·安塞姆的评论《怎样思考安塔瑞斯火箭事故》。我们引用这篇文章的最后一段作为本文的结束语:“今天,航天十分艰难。今天,它十分昂贵。今天,它的风险仍然很高。但它不会永远如此。我们必须抵制航天的艰难、昂贵和危险是固有的这种想法。航空曾经也是如此,今天,航空却十分有效和十分安全。如果我们接受,航天可以改善和需要努力工作、投资和实验后,才能实现这个目标,则航天也可达到这一步。我们必须承认,真正的进步总是伴随着失败。没有失败就没有进步。”

所以,我们必须进步。航天要走向更低风险和更便宜,就需要这样的新途径:由商业航天公司去开拓,而政府能做的事,就是投资航天技术的研究和开发。

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