北京时间11月17日24时,阿里安航天公司召开发布会,初步确定失利原因为AVUM上面级制造过程中的质量问题导致,完全是由于一系列人为原因,而非设计上的问题。阿里安航天公司的首席技术官罗兰·拉吉耶表示,织女星火箭起飞之后,一子级到三子级3个固体子级的工作都很正常,但是上面级AVUM点火启动后,火箭开始脱离控制,出现剧烈的翻滚,最终导致上面级偏离预定的弹道。根据对遥测数据的初步判断,具体原因是由于连接到AVUM上面级的两个推力矢量控制执行机构的线缆连接插反导致,控制指令作用到了相反的执行机构,使得偏转方向相反,最终导致上面级姿态失控。
阿里安航天集团明确表示后续将深入调查失利原因,但本次失利不会影响其他发射任务,年底前阿里安航天公司还将进行4次联盟号发射任务。
1本次任务概况本次任务计划由织女星火箭利用织女星次要载荷适配器(VESPA)搭载2颗卫星入轨,一颗为西班牙的SEOSAT-Ingenio遥感卫星,重千克;另一颗为法国的TARANIS科研卫星,重千克。VESPA载荷适配器的质量大约为千克。本次任务的载荷总重为千克,目标轨道为千米的太阳同步轨道(SSO)。发射地点为库鲁发射场的织女星发射工位(北纬5.2度左右),火箭起飞时间为北京时间年11月17日9点53分。
根据阿里安航天公司提供的任务手册,织女星从库鲁发射场起飞后,三个固体子级总计工作7分钟,之后三子级和上面级组合体(包括AVUM、VESPA适配器和载荷)分离,三个固体子级落区全部在海上。在正常情况下,AVUM上面级第一次点火工作大约持续7分钟,之后滑行37分钟;AVUM第二次点火工作大约2分钟后,完成SEOSAT-Ingenio卫星的部署,卫星分离高度约为千米,轨道倾角98.09度;AVUM第三次点火工作几秒钟的时间,之后滑行36分钟;AVUM第四次点火几秒钟关机滑行4分钟之后,完成TARANIS卫星的部署,卫星分离高度约为千米,轨道倾角为98.19度。TARNIS卫星大约在火箭起飞1小时42分钟之后完成部署。最后,AVUM上面级会完成第5次点火和关机,实现离轨操作,再入大气层。
图2VESPA适配器上方为质量较大SEOSAT-Ingenio下方为质量较小的TARANIS
本次发射任务的发射准备流程如下表:
表1织女星VV-17任务的发射准备流程
图3VESPA适配器在结构上分为上半部分和下半部分,通过分离装置连接
表2织女星VV-17任务的发射倒计时和飞行时序
2织女星火箭织女星火箭由欧空局出资,意大利艾维欧(Avio)公司研制,阿里安航天公司负责发射服务运营,从年开始投入使用,在阿里安5大型火箭以及从俄罗斯引进的联盟号ST中型火箭之后,弥补欧洲在1吨左右的小型载荷发射能力上的缺失,形成了完整的运载火箭型谱。
图4织女星火箭完善欧洲的运载火箭型谱
织女星火箭采用四级构型,高30米,起飞质量吨,最大直径3米,千米太阳同步轨道运载能力千克。一子级采用P80固体火箭发动机,直径3米,推力千牛,推进剂装药量为88吨。P80是欧洲最早的采用复合材料壳体的一段式固体助推器,为后续阿里安6和织女星采用的PC固体助推器奠定了良好的基础。二子级采用Z23固体火箭发动机,推力千牛,推进剂装药量为25吨。三子级Z9固体火箭发动机,推力千牛,推进剂10吨。
AVUM上面级采用乌克兰提供的RD-常温发动机,采用偏二甲肼和四氧化二氮作为推进剂,具有多次启动能力,最大工作时长为秒。
图5AVUM上面级的结构示意图
AVUM的推进剂采用4个球形贮箱存储,偏二甲肼和四氧化二氮分别采用2个贮箱。每个球形贮箱的容积均为升。球形贮箱采用高压氦气瓶增加,气瓶容积88升,压力31兆帕。姿控系统采用2个推力器单元,每个单元含3个推力器,单个推力器推力为50牛,采用高压氮气作为工作介质,气瓶容积88升,压力31兆帕。
AVUM的主动力为RD-发动机,由乌克兰南方设计局为欧洲研制,基于SS-18撒旦导弹的末级发动机RD-。RD-发动机的推力2.45千牛,比冲.5秒,混合比为2,入口压力为3兆帕,能够在±10°的范围偏转。
图6AVUM的主发动机
AVUM上面级的姿控系统采用了2个美国慕格(Moog)公司的Moog50-推力器单元,每个单元包含3个推力器,单个推力器的推力为50牛,最小推力脉冲时间为0.5纳秒,最多可以4个推力同时工作,每个单元结构质量29千克,入口压力为3.5兆帕或7.5兆帕。
图7慕格公司的Moog50-姿控推力器
欧洲还在研制运载能力更大织女星C火箭,采用更大规模的一二子级固体火箭发动机,运载能力提升到2吨以上,任务范围也大幅拓展,不仅能够利用执行多星共享发射服务,还能够配合电推力上面级将载荷送入同步轨道,或者配合“太空骑士”轨道飞行器将载荷返回地面。织女星C火箭原最早计划在年进行首飞,但是收到年7月织女星发射失利影响推迟至年,又因为新冠疫情影响到年,本次织女星发射失利势必再次影响织女星C火箭的首飞时间。
图8改进之后的织女星C具备5类任务发射能力
3织女星年发射失利情况在年7月的发射任务中,织女星火箭二子级固体发动机(Z23)的燃烧气体(大约摄氏度)对二子级的碳纤维结构造成冲击或烧蚀损坏,导致二子级热结构失效,最终致使火箭和卫星坠毁解体。
失利根本原因则是因为质量检查环节没能够发现二子级热防护层的制造缺陷。二子级的热防护层的厚度比正常要求少了大约1毫米,因为误差很小,所有质量检查环节都没能发现这一缺陷,最终导致二子级的结构失效。为了修正上述问题,艾维欧公司采取了三方面的措施。首先,是质量检测手段的提升,不仅采用超声波,还引进了数字X线摄影。在改进检测手段后,艾维欧随机抽查了生产中的二子级发动机,并成功完成试车。其次,为二子级的Z23固体发动机增加了热防护层的厚度,尽管可能不是必要措施,但也能够增加安全余量。最后,改进了织女星的遥测设备、飞行安全设备和自毁设备。增加了摄像头等传感器获取更多飞行数据。
4截至目前,全球航天发射已经遭遇9次失利截至目前,年全球共计93次航天发射,但仅有84次成功,遭遇了9次失利,成功率为90.3%。
(1)2月9日,伊朗神鸟号火箭遭遇发射失利(首飞以来连续3次失利)(2)3月16日,长征七号甲首飞遭遇失利(3)4月9日,长征三号乙发射印尼帕拉帕通信卫星遭遇失利(4)5月26日,维珍轨道公司的运载器一号首飞遭遇失利(5)7月5日,电子号火箭执行第13次发射任务,一箭七星遭遇失利(6)7月10日,快舟十一号运载火箭首飞遭遇失利(7)9月12日,美国创企阿斯特拉公司的火箭3.1小型运载火箭首飞遭遇失利(8)9月12日,快舟系列今年第二败,快舟一号甲首次遭遇失利(9)11月17日,织女星火箭执行该型号的第17次发射任务,再遭失利5小结年织女星因为质量问题引起二子级故障,导致发射失利。经过一年多的改进和验证,证明了措施的有效性。但在成功复飞仅仅2个月后,再次遭遇失利,虽然和年的故障原因完全无关,但又是低层次质量问题反复出现,这在一定程度上说明意大利的主承包商艾维欧公司可能在管理上存在一定的问题。
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