發(fā)射中止：搶救火箭的無奈“絕招”_當前視點

縱覽各國火箭發(fā)射任務，發(fā)射中止并不罕見，這既是無奈之舉，又堪稱搶救火箭的“絕招”，避免了帶故障飛行由此可能造成的星箭俱毀。例如，今年2月17日，日本新一代火箭H-3在種子島航天中心進行首飛。在芯級氫氧發(fā)動機正常點燃后，控制系統(tǒng)向固體助推器發(fā)送點火信號前，自檢發(fā)現(xiàn)供電異常，故及時關閉了芯級發(fā)動機，火箭發(fā)射被迫中止。那么，發(fā)射中止與發(fā)射失敗有何區(qū)別？發(fā)射中止又有何特點？它往往在什么條件下會起作用呢？

H-3火箭點火后中止發(fā)射（來源:日本媒體）

特殊“后悔藥”有療效

(資料圖)

發(fā)射中止是指火箭在進入發(fā)射倒計時后，出于技術、氣象、落區(qū)等原因，暫時取消了發(fā)射任務。這種情況一般不會對載荷和火箭造成很大的損害，反而是一種有效的保護手段。尤其是面對技術故障，火箭及時中止發(fā)射，泄放推進劑、移除載荷后，開展全面排查，有望實現(xiàn)更高的成功率?？梢哉f，這種火箭“后悔藥”往往療效顯著。

按照時間點，發(fā)射中止可以分為兩類。第一類發(fā)生在火箭點火前，由人員或系統(tǒng)判斷已不能滿足火箭起飛條件。

比如，美國Crew-6載人航天任務在今年2月27日發(fā)射中止，因為系統(tǒng)檢測到獵鷹9火箭點火系統(tǒng)反應異常，及時中止了發(fā)射程序。隨后，飛船內(nèi)的航天員安全離開發(fā)射臺，避免了可能的危險。

第二類發(fā)射中止的情況更加驚險——火箭已經(jīng)點火，但箭體仍被牽制釋放裝置“拽”在發(fā)射臺上，或者因整箭推重比小于1，尚未飛離發(fā)射架，此刻火箭仍有希望及時中止發(fā)射。

H-3火箭首飛的情況就是如此。芯一級的LE-9發(fā)動機點火后，達到最大推力90%時，控制系統(tǒng)檢測到了異常信號。接下來，飛控軟件立即中止倒計時，關閉了LE-9發(fā)動機，并取消向固體助推器發(fā)出點火信號。經(jīng)初步調(diào)查顯示，異常信號與LE-9發(fā)動機的地面電氣設備有關，但最終原因仍在排查中。

智能化自檢很強大

雖然發(fā)射中止是有效的保護手段，但航天發(fā)射任務涉及系統(tǒng)龐大復雜，昔日火箭發(fā)射前的檢查很難及時察覺故障隱患，從而錯失了發(fā)射中止這樣的“保命絕招”。隨著火箭智能化程度提高，系統(tǒng)自檢性能升級，及時發(fā)現(xiàn)問題并在火箭點火后中止發(fā)射的案例逐漸增加。只要火箭沒離開發(fā)射架，大多是有補救機會的。

2020年8月，美國德爾塔4重型火箭執(zhí)行NROL-44秘密軍事發(fā)射任務時，上演了驚心動魄的“災難大片”。當時，火箭芯一級和助推器的3臺RS-68氫氧發(fā)動機在起飛前3秒突發(fā)故障，發(fā)動機正常排出的氫氣上升后被點燃，但由于火箭未能飛離發(fā)射架，導致烈火迅速包圍了火箭。面對危機，控制系統(tǒng)自動緊急關機，火箭發(fā)射及時中止，整流罩內(nèi)的美國國家偵察局載荷安然無恙。

德爾塔4重型火箭點火后中止發(fā)射（來源：美國媒體）

據(jù)悉，那次任務的載荷代號“導師”，是當時美國最新型偵察衛(wèi)星，相比廣為人知的“鎖眼”系列，更加神秘。甚至有消息稱，該型衛(wèi)星的造價超過同等重量的黃金。面對這類載荷，發(fā)射方事先必然細心檢查，但仍不能確保排除全部隱患。而在那次發(fā)射一年多前，同款火箭發(fā)射“鎖眼”衛(wèi)星時也曾緊急關機，及時阻止了火箭和載荷帶著隱患上天，不久查明了傳感器故障。如果沒有智能化系統(tǒng)輔助排故和決策，這兩次偵察衛(wèi)星發(fā)射任務很可能釀成無法挽回的損失。

火箭發(fā)射前緊急關機的故障并不罕見，往往是發(fā)動機點火過程中出現(xiàn)了異常，自動觸發(fā)了智能化系統(tǒng)。比如，獵鷹9火箭在2016年2月發(fā)射SES-9衛(wèi)星時，點火系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)1臺發(fā)動機的推力異常下降，火箭立即自動中止發(fā)射。得益于牽制釋放裝置，火箭被牢牢地“按”在發(fā)射臺上，并未起飛，只是因點火劑自燃而發(fā)出一陣綠光。

事后調(diào)查顯示，低溫推進劑經(jīng)過長期靜置后，溫度逐漸升高，而火箭貯箱內(nèi)的增壓用氦氣混入推進劑并被吸入渦輪泵，導致推力異常。這個故障原因涉及發(fā)射前檢查人員的某些“思維盲區(qū)”，能夠及時中止發(fā)射，得益于靈敏高效的智能化系統(tǒng)。

力爭防患于未“燃”

發(fā)射中止能夠及時起作用，除了技術因素外，還少不了統(tǒng)籌安排的“功勞”，比如事先設定好不同類型發(fā)動機點火順序。

以H-3火箭為例，作為典型的固液混合火箭，芯級采用高比沖的氫氧液體發(fā)動機，同時為彌補推力不足的缺陷，輔以大推力固體助推器。固體助推器的藥柱一般通過分段澆筑成型，再經(jīng)切削修形而成，具有推力大、結(jié)構簡單、工作可靠等優(yōu)點。缺點是一旦點火，其燃燒過程便會自發(fā)持續(xù)進行，難以像液體發(fā)動機那樣通過切斷推進劑供應來及時關機。

權衡兩種發(fā)動機的特點，固液混合火箭在設計點火時序時，固體助推器毫無例外是“墊底選手”。隨著火箭芯級的液體發(fā)動機優(yōu)先被點燃，達到足夠推力且工作穩(wěn)定后，控制系統(tǒng)才會點燃“不可逆”的固體助推器。一旦發(fā)現(xiàn)問題，系統(tǒng)判斷不具備起飛條件，只要搶在固體助推器被點燃前，及時阻斷向固體助推器發(fā)送點火信號，并關閉芯級發(fā)動機，就能中止發(fā)射，H-3火箭便是如此。

假如系統(tǒng)沒能及時阻止固體助推器點燃，火箭在瞬間大推力驅(qū)動下迅速飛起，是否“開弓再無回頭箭”，只能默認發(fā)射失敗呢？從理論上講，還有兩種特殊的“招數(shù)”可能會降低損失，但即使任務成功，也要付出其他代價。

第一種“招數(shù)”是做好動力冗余備份。如果火箭本身設計有一定的動力冗余，一旦個別發(fā)動機出現(xiàn)異常，火箭可以自動關閉故障發(fā)動機，并聯(lián)的其他發(fā)動機可以“接管”異常發(fā)動機的工作，通過控制和導航系統(tǒng)重新規(guī)劃，適當提升其余發(fā)動機的推力并延長工作時間。過去，土星5號重型火箭、航天飛機和獵鷹9火箭都曾以不同方式利用動力冗余條件，基本達到目標，變相提高了任務可靠性。

第二種補救方式在本質(zhì)上也是做好冗余備份，借助預留推進劑，延長發(fā)動機的工作時間，只不過“辛苦”的是故障發(fā)動機的下一級。

2016年3月，天鵝座飛船發(fā)射過程中，宇宙神5火箭第一級發(fā)動機突然提前5秒關機，隨后火箭第二級發(fā)動機利用貯箱內(nèi)的預留推進劑，延長燃燒時間1分鐘，終將飛船送入軌道。事后估算，第一級發(fā)動機只要再提前關機1秒，整個發(fā)射任務就會失敗，畢竟預留推進劑提供的應急幫助不是無限的。

然而，考慮到成本效益、工程難度等因素，對火箭的動力、燃料冗余不宜過高期待，動力系統(tǒng)在飛行段出現(xiàn)故障，很容易導致“不可逆”的發(fā)射失敗。所以，及時借助智能化手段排查故障，果斷中止發(fā)射，把隱患消滅在火箭起飛前，才是真正的防患于未“燃”。（作者：王鑫）

標簽：