【原創重發】陷入中年危機的俄羅斯上面級火箭（中）——在航天質量日看幾起令人匪夷所思的事故
導言
上期
《陷入中年危機的俄羅斯上面級火箭（上）》
講了最近闖禍的Fregat( 軍艦鳥)上面級，68次發射，2次失敗，應該說安全性還過得去。那麼中篇，將介紹蘇聯/俄羅斯的Block D上面級，還有
幾起令人匪夷所思的事故，徹底暴露了2010年之後俄羅斯航天生產管理出現的嚴重問題
。
恰逢今天是3月22日，也就是「航天質量日」，在這個日子裡看看俄羅斯近些年因為種種原因出現的幾起事故，能起到很好的警示作用。
一、登月計劃遺產----質子原配上面級，Block D
Block D研發始於上世紀60年代，1967年3月10日就進行了首次成功的發射。
Block D上面級原先是蘇聯L3月球探測組合體開發的，由N1火箭發射。
在登月期間，Block D負責在地月之間執行軌道修正、進入繞月軌道的剎車減速，並釋放LK載人登月艙下降至月球。他是整個複雜的N1-L3登月火箭的第五級，在俄文中，"Д"是第五個字母，對應到英文發音，是"D"，因此有了
Block D
這個普普通通的名字。
Block D直徑4米，高5.5米，人高馬大，球形的為液氧貯箱，環形為煤油貯箱。值得注意的是煤油貯箱被設計成為15度的傾斜，便於燃料沉底之後的抽吸。但從上面級的實際應用場景來看，低矮、緊湊更為實用，能減小整流罩的長度，或在相同整流罩體積下，讓出更多空間給衛星。
左圖中可以發現煤油貯箱輕
微的傾斜，是為了方便燃料沉底之後的抽吸
二、科羅廖夫設計局出品——北極熊為數不多的環保上面級
主發動機同為科羅廖夫OKB-1設計局研製的RD-58，環保，煤油/液氧！
採用富氧分級燃燒循環
，液氧/煤油的混合比為2.48，室壓7.8MPa，真空推力83.4kN ，真空比沖349秒，發動機具備多次點火和多天在軌工作能力，該發動機的總燃燒時間（多次燃燒）可達600秒。萬向支架允許發動機偏轉3°進行俯仰和偏航控制。
RD-58後續升級為RD-58M、RD-58S、RD-58MF。雖然沒有採用高能液氫液氧的，但是OKB-1設計局還是想盡辦法提升比沖，在RD-58S型號中採用高能合成煤油（ Syntin 煤油）來替代普通火箭煤油。
航天火箭用煤油，美標稱為RP-1（Rocket Propellant-1或Refined Petroleum-1），其規格主要就是12個碳原子的分子，因為沒有輕碳分子，RP-1 有較高的燃點，因此比汽油甚至柴油更不容易發生火災。蘇聯和俄羅斯的火箭級煤油與RP-1非常相似，稱為RG-1，規格非常類似RP-1，但其密度更高，0.82-0.85克每毫升，而RP-1 是0.81克每毫升。
火箭煤油RP-1
而Syntin 煤油的化學分子式為C10H16，由具有張力環結構的四種同分異構體組成。與火箭煤油相比，
Syntin 煤油的冰點較低，從RP-1的零下40度，改進到零下70度以下，進一步適配空間低溫工作要求；
相同條件下的動力粘度小，流動性能更優，相同溫度下的密度和飽和蒸汽壓稍高；傳熱性能與火箭煤油相當，安全性可控；材料相容性好，存儲性能穩定。液氧/Syntin 煤油的理論真空比沖比液氧/火箭煤油相應值高出8~15.3秒，典型的如RD-58S 火箭發動機的真空比沖高達361秒，發揮出液氧煤油上面級發動機的潛力。
為了實現在停泊軌道飛行階段推進劑的管理，Block D配備了小型的沉底推進器，推進劑為偏二甲肼和四氧化二氮。
三、人類第一輛月球車，Block D遞送！
雖然Block D從未有機會在蘇聯載人登月計劃中發揮作用，但事實上，他一不小心成為蘇聯登月項目中最重要的遺產。與質子火箭搭配，作為其第四級，Block D被用於蘇聯的繞月和無人月球任務，也用於金星和火星的行星探測任務，
還創造了一個第一----第一輛月球車，lunokhod 1，
月行者
-1
號。
1969
年
2
月和
7
月在兩次
N1
火箭失敗之後，蘇聯在載人登月競賽中落敗。但在
1970
年
11
月
10
日，蘇聯用質子
K
火箭
-
Block D上面級
發射
「
月球
」-17
號探測器，
7
天后把第一輛自動月球車
「
月行者
」-1
號送到月球考察，成為了人類歷史上第一輛月球車。
著陸器有兩個斜坡，月行者
-1
號從斜坡行駛到月球表面
前後兩個「眼睛」，造型萌！
月行者
-1
號大概一輛昌河麵包車的大小，長
2.2
米，寬
1.6
米，質量
756
千克。車分上下兩部分：上部分是儀器艙，下部分是自動行走底盤。儀器艙是由鎂合金製成的密封艙，它保證儀器儀錶在月球上工作時不受外部環境影響，艙內裝有無線電遙測設備、供電系統、溫控系統等，還載有
4
台全景攝像機。自動行走底盤下裝有
8
個車輪，每個輪轂都安裝了一台電動馬達。
藝術家描繪的月行者
1
號在月球上「飛奔
」
畫面（時速為
1~2km/H）
月行者
1
號在月亮白天充電運行；晚上冬眠，
由放射性同位素釙
210
衰變產生的熱量進行保溫
，保證儀器不因低溫而損壞。月球車設計壽命為
3
個月，實際工作
11
個月，行程
10540
米，拍攝了兩萬多張月面照片。
1973
年接著又發射了月行者
2
號，老二成為了長跑冠軍，在地外奔跑了
42
公里，這個記錄直到
2014
年才被美國機遇號火星探測器趕上。
但事實上，
1969
年
2
月
19
日
第一次發射的月行者由於火箭解體，導致放射
性釙
210
散布在俄羅斯的一
大片區域
……
題外話，月行者儀器艙內，設備抵禦核輻射的工業設計，後續被用在
1986
年切爾諾貝利核電站事故處理機器人上。
四、Block DM，讓蘇聯終於終於有了靜止軌道通信衛星
由於拜科努爾發射場的位置太靠北，蘇聯向赤道上空發射衛星是很困難的，要消耗很大能量來改變傾角為46°的軌道面，而且光有強大的基礎級火箭還不夠，必須要有上面級配合。
蘇聯在沒有合適的大型運載火箭發射地球靜止軌道通信衛星時，
只能發射63.4°傾角大橢圓軌道的「閃電」號通信衛星，近地點400公里，遠地點40000公里，
而該傾角會讓遠地點鎖定在蘇聯領土上空，保持在蘇聯境內較長的通信時間，一般採用3～4顆閃電通信衛星實現高緯度地區通信，該軌道，本來稱為莫尼亞（Molniya），叫著叫著就被稱為了閃電軌道。
Block D增加了導航模塊，升級為合格的上面級----Block DM，並與質子K搭配，使蘇聯人第一次獲得了將人造衛星送入地球靜止軌道的能力，「質子K- Block DM」火箭於1974年3月26日、1975年12月22日分別將「宇宙637號」（Космос 637）地球靜止軌道試驗衛星送入軌道、 「 虹」實用靜止軌道通信衛星發射入軌。
蘇聯「 虹」實用靜止軌道通信衛星Raduga(Gran)
後續1976年10月26日發射了一顆稱為熒光屏試驗衛星。熒光屏靜止衛星裝有一個200瓦的轉發器以及由90個小型螺旋天線組成的大天線陣。
使用的頻率是702-726MHz兆赫，電視機通過室外天線可以直接收看，天地直通，
解決了蘇聯新西伯利亞至伊爾庫茨克之間直到蒙古的西北部等偏遠地區老百姓看電視的大難題。
五、後續型號以及安全性回顧
在其發展史上，Block D接受了無數次升級，除上述提到的DM版本，其他比較重要的升級有：
1、DM-2（1982年）：主要型號，廣泛用于格洛納斯及其他商業衛星發射；
2、DM-2M（1994年）：採用Syntin煤油，真空比沖達到361秒；
3、DM-3（1996年）：DM-2M的商業版本；
4、DM-SL（1999年）：Block DM-SL是適配天頂（ Zenit）火箭，用於海上發射。
迄今為止，BLOCK D系列一共進行了331次發射，可以說，是僅次於阿金納最勤奮的上面級！失敗和部分失敗有41次，包含基礎級火箭和上面級的故障。
回顧2000年以來的90次發射，5次失敗，2次部分失敗，其中基礎級火箭問題4次，上面級問題3次，
卻可以發現，又是管理上的問題，導致了一些本可以避免，但卻發生的事故：
（一）電氣短路卻有驚無險，不幸中的萬幸
為了解決高緯度發射導致的低效問題，海上發射公司（Sea Launch）成立於1995年，由俄羅斯、烏克蘭、美國、挪威的四家公司組成，俄羅斯負責提供上面級，烏克蘭提供天頂火箭，挪威負責提供海上發射平台，波音公司負責管理，在赤道附近使用移動式海上發射平台，發射地球靜止軌道通信衛星。
2004年6月28日，在發射Telstar 18（APStar 5，亞太衛星5號）時，Block DM-SL上面級提前54秒異常關機，把衛星送到了非預期的同步衛星轉移軌道（GTO），遠地點只有21000公里而非36000公里。幸虧Telstar18（APStar 5）衛星依靠自身的遠地點發動機和備份推進劑，終於進入了GEO軌道，並達到了13年預期使用壽命。
後續的調查得出結論認為，上面級電纜中的電氣短路，推進劑流量感測器的數據產生失真，導致發動機消耗的推進劑比預期的多，提前關機。
不過後續這次蹊蹺故障卻沒有這麼走運。Astra 1K，5250 kg重的大容量通信衛星，在2002年11月25日在拜科努爾由質子K火箭發射，用來替換三顆老舊衛星。然而，Block DM-3上面級原定進行3次點火中的第二次，未能按計劃執行，衛星被錯誤地分離擱淺在
175公里
的低地球軌道。兩周之後，12月9日，重返地球，燒毀在大氣層。
2003
年的
1
月
10
日公布的調查分析指出，
RD-58M
發動機在第二次點火時出現故障。文章開篇提到，
Block D
系列主發動機
RD-58
採用了富氧分級燃燒（又稱高壓補燃），效率非常高，液氧和煤油的混合比在
55
～
60
左右（曾經有網友在留言提到其單位，這裡說明一下，是體積，不是質量），過量的氧讓煤油燃燒充分，不產生結焦積碳。
但是第一次點火後，燃料排放管堵塞，或燃料供應閥出現了泄漏，導致富氧分級燃燒的燃氣發生器，出現了過量的煤油。
因此在第二次點火時，無法正常組織富氧燃燒過程，啟動失敗。
如果說上述兩起是生產製造工藝或者偶發的故障，那麼接下去要說的這兩起，則讓
2010
年之後俄羅斯航天的真實管理水平暴露無遺。
（二）匪夷所思的燃料加註烏龍
1997年3月開始研發
Block
DM-03, 主要是為了提升性能，
DM-03的推進劑儲罐比以前的版本大25％，
從下圖可以看到上部液氧和下部煤油貯箱，都被增加了一截，容積變大；主發動機也升級到RD-58MF。
又是增容，又是換髮，Block DM升級到Block DM-03
2010年12月5日，DM-03上面級首飛，負責將三顆GLONASS衛星送到中地球軌道。以往，用DM-2發射同樣的載荷，需要裝滿約15,000千克推進劑，貯箱加註到約90％的容積。這次載荷一樣，Block DM-03隻需加註等同的推進劑。
但是，指令手冊的更新，顯然是大意了！
關於推進劑加註量，Block DM-03照搬了Block DM-2的指令----將貯箱加註到90％的容量，完全忽視了DM-03的推進劑貯箱已經擴容過，推進劑被錯誤的加註，
液氧超載1600公斤，這比任務所需要的推進劑多很多！
質子火箭的第三級火箭無法將超重的上面級和載荷送入目標軌道。
事故調查的首席檢察官辦公室得出結論認為：上面級，在沒有足夠的測試的情況下首飛，違反了空間運載器系統發展、製造和飛行的程序。
（三）更匪夷所思的角速度感測器接反烏龍
倒霉的Block DM-03，厄運連連！2013年7月2日進行的第二次發射也失敗了！
這次，依舊是發射三顆GLONASS衛星，燃料沒有加錯，但是質子M火箭，好像是喝伏特加喝高了，發射後，搖搖晃晃，平飛、倒栽蔥，斷裂解體，燃燒，32秒後在距離發射場約1.4公里的撞擊下墜毀並爆炸。
劇毒的推進劑污染了發射場附近區域，其他幾個發射場的工作人員被要求緊急撤離，附近居民呼吸困難的癥狀增多。
我們調換了一下順序，把發射現場錄像放在前面，畢竟還是視頻來得更直接更震撼一些
事故調查組發現的問題，觸目驚心：
1、兩年前埋下的事故源頭
該質子火箭2011年在Khrunichev（赫魯尼切夫國家航天科研生產中心）的製造工廠組裝完成。角速度感測器的安裝於2011年11月進行，是裝配過程中的最後一步。火箭被存放，直到2013年5月拜科努爾的死亡之旅。
但3個角速度感測器在的安裝過程中，裝反了，被顛倒了180度！
質子火箭一級角速度感測器型號為TSE99-6SA，由Zavod Zvezda製造，感測器的形狀是上下對稱的，因此容易顛倒。
TSE99-6SA角速度感測器
2、幾道質量管控措施，接二連三失效
根據火箭的安裝日誌，調查委員會找到了感測器的安裝技術人員，發現當時進單位才幾個月。而要裝反，也不是那麼容易的事情，因為上圖中可以看到，左邊6個針腳，其他均為8個針腳。如果顛倒180度安裝，這些引腳將與安裝蓋板孔錯位。
以這種方式安裝感測器需要技術人員用蠻力按下去，付出相當大的努力才能錯誤地安裝感測器！
調查委員會，在墜毀的質子殘骸上找到了蓋板相應的凹痕。確認角速度感測器是造成事故的根本原因。
事實上，顛倒，並不是不能被發現。感測器的外部都有指示箭頭，找了一張該款感測器的安裝圖，從感測器的後蓋上，可以清晰的看到H、ω兩個矢量的安裝方向，與安裝圖核對進而可以確定是否正確安裝。
在日誌中通過簽名找到了相關監督技術員，這位熟悉安裝的工程師在進行目視檢查過程中顯然不認真。
圖中H箭頭，表示角動量；ω箭頭表示角速度
班組長的交叉複檢，這個最基本的工作流程沒有執行到位，層層的質量控制失效！
而最後電器檢測也無法發現接錯的問題，因為感測器已經接上，只是錯接。
顛倒的安裝，導致角速度感測器向質子飛行計算機提供錯誤的數據，計算機實施了錯誤的糾偏，然後……
三名赫魯尼切夫國家航天科研生產中心工程師被控在安裝感測器時被控違反安全規則，國防部第1653軍事代表處主任指控犯有過失罪。
兩年後，2015年9月14日，Block DM-03執行第三次發射任務，終於順利的把Ekspress-AM8通信衛星送達預定軌道，證明了自己的存在感。
後記
寫到這裡，附上戰鬥民族的一張照片：2015年3月26日，在哈薩克拜科努爾發射場，搭載有俄羅斯聯盟號TMA-16M宇宙飛船的「聯盟-FG」運載火箭即將發射，東正教牧師正為發射祈禱，現場一片嚴肅……
但如果管理上的未解決，通過樸素的祈福方式，可以讓航天發射安全嗎？
下篇，將如約介紹真正讓衛星恐慌的質子-微風M上面級，分析現階段俄羅斯航天究竟怎麼了？
（未完待續）
iPhone用戶打賞清掃這裡，打賞都將轉給作者本人。
作者介紹
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