请百度搜索园林石业工程有限公司

行业资讯

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部

文字:[大][中][小] 2019-3-7     浏览次数:    

bobty综合体育(笔者注,本文较为详细地分析了2018年MS-10飞船发射事故的前因后果,同时对“联盟”系列火箭的紧急救援装置和一二级分离机构、工作流程进行了较为详细的讲述,同时搜集了大量极具代表性的图片和图示。笔者水平有限,如有疏漏,敬请指正。全文5462字,47图,预计阅读时间15分钟。)

2018年10月11日,下午14时40分15秒,哈萨克斯坦,拜科努尔发射场,联盟-FG火箭,计划运送ISS-57和58远征队的队员,联盟飞船MS-10。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

bobty综合体育联盟-FG和联盟MS-10正在转运到发射台

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

俄式传统,发射前要有大主教来祈福。

bobty综合体育一、发射全程

伴随着发射的巨响,一切正常。

此次飞行搭载了两名宇航员,分别是俄罗斯宇航员阿列克谢·奥夫其宁和美国宇航员尼克·黑格。其中阿列克谢在2016年曾经作为远征47/48成员在国际空间站生活过127天的时间,黑格则是第一次进入太空(如果成功的话)。

bobty综合体育联盟火箭是可靠性极强的火箭了。历经几十年的风雨沧桑和不断改进,从“东方”号到“上升”号,再到如今的“联盟”号,它们都是来自于一款名字叫做“R-7”的洲际弹道导弹,其设计师正是大名鼎鼎的科罗廖夫。联盟飞船也同样经历了无数大考,也是目前唯一往返国际空间站以及地球的航天器。其中空间站一直会停放着一艘“联盟”飞船作为紧急逃生用,且俄罗斯自己的历史上,“联盟”号飞船数个改进型号都没有出现过任何事故。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

火箭发射

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

发射现场到这时都一切正常。时间来到第119秒,也就是一级即将和火箭分离的时候,阿列克谢报告称产生明显失重,同时产生强烈振动。且根据回传图像发现飞船出现严重偏航以及滚转。按照程序,如果在-15分(发射前15分钟)到114秒期间发生问题,将会由逃逸塔带着飞船脱离火箭。但是这时已经是第119秒,逃逸塔已经脱离。火箭的SAS系统(紧急救援系统)在6秒后激活,这时整流罩上的发动机开始启动,火箭的栅格翼展开,带着火箭脱离火箭主体。有一种说法称,在一级脱离的时候,火箭的自动控制系统会暂停6秒以防止过度的干扰输入。随后飞船和地面连接中断。由于相应通讯设备此时还和火箭连接,脱离后暂时没有工作。在大约160秒时,整流罩脱离,飞船主体开始沿着弹道飞行,同时其自主通信系统打开,连接恢复。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

此时画面也出现了“马赛克”,因为传输出现不稳定。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

SAS系统开始工作。

最终,飞船最高高度达到93公里,未到达卡门线。总共2分45秒,飞船回到了地面上,所有人悬着的心也放下了。落点距离发射地约400公里。很快一百人的搜救小队立刻出发,四架米-8直升机,两家安-26及安-12飞机以及地面车辆十台赶赴现场。据估算,宇航员在脱离瞬间的过载达到5-6G,虽不致命,但经历了这一切,总归让人担心其它意外的发生。

航天员们经历过检查后返回拜科努尔,第二天返回星城(距离莫斯科25公里,是宇航员的培训基地)。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

飞船返回舱降落在哈萨克斯坦境内。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

宇航员们返回发射基地

当然这件事也是有插曲的。俄罗斯航天局为这次发射任务投了保险。最终保险公司赔付229300万卢布,以至于俄罗斯国家保险公司拒绝再为联盟-FG火箭提供保险服务。2020起,俄罗斯全面弃用联盟-FG火箭,一是其含有部分乌克兰制造的零件,二是库存的零件终于用完了,全面转移到新型联盟2.1a及联盟2.1b型号火箭。

另一件事就是,联盟飞船实际上每次可以运三个人,但是这次呢,一个人的位置被“好吃的”占据了。虽然这次失败了,但是这两位宇航员在一段时间后,乘坐联盟-MC12重返空间站,并顺利执行任务。

更有意思的事情是神舟系列飞船提供电力结构是?,联盟飞船1963年开始投入飞行和试验后,分别有以下型号:联盟-A、7K-OK、7K-L3、7K-T、7K-TM。在和平号空间站开发后,研发出来新的联盟-T型号,以及联盟-TM。苏联解体之后,俄罗斯宇航局开发了联盟-TMA,2016年后神舟系列飞船提供电力结构是?,全面使用最新的联盟-MS系列,现在已经发到了第16艘了,也就是今年4月9号发射的联盟MS-16号飞船。

由此可见,这个联盟飞船的型号以及发展历程还是比较漫长且有趣的。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

NASA提供的MS-10任务长曝光图片。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

搜救现场

二、简析联盟火箭的SAS(Система аварийного спасения экипажа,乘员应急救援系统)

乘员应急救援系统是必需的。在专栏里之前的文章中,曾介绍过航天飞机系统的几种紧急中止模式,其意义等同于联盟火箭的应急救援系统。大家可以看到,包括土星五号,以及我们的“神舟”系列飞船,都在火箭的头部有一个长长的杆状又长又细的杆状物,这个就被称为逃逸塔。大家想必知道它的作用就是带着飞船逃离危险的火箭,毕竟火箭的本质就是让宇航员坐在一堆爆炸物上嘛。

整个上层的建筑我们来看一下结构设计图。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

为了方便大家理解,我特意做了一个图。大家可以放大看,这就是逃逸机构的总体简化后的结构了。我们可以看到,逃逸时的发动机一共两套,一个是装在逃逸塔上的,一个时装早整流罩上的。它们都是固体发动机。紧急逃生时,航天员处在返回舱之中,因此逃逸机构需要带走返回舱但同时,上面的生活舱只能一起带走。至于为何要把发动机放在上面而不是下面,更多还是出于,在达到一定高度可以抛出,不影响有效载荷,以及不需要带着推进舱一起逃生,减轻重量两个角度。

上面的杆状逃逸塔同样分成两个部分,一个是上侧的中央发动机,其由两个多喷嘴的固体发动机组成,底下稍大的四个喷嘴是控制发动机的喷嘴。该装置通过支架连在航天器上。

我们看一下真实的逃逸塔以及火箭上部图片

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

我们可以更清晰地看到多喷嘴地中央发动机以及控制发动机,同时我们可以看到偏下的两组发动机,偏上的是整流罩分离发动机,下面的是紧急救援系统发动机。同时我们可以看到栅格翼。栅格翼最早应用在苏联地固体燃料导弹上,现在也用在猎鹰九号的芯级火箭上。栅格翼最大的好处就是,增大了控制面积,但是占用的体积极小。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

我们接下来再看一张发射当天的图片。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

我们在联盟火箭在工厂里面的图也可以看到上图中标出的三个突起。在对应的整流罩上也有相应的凸起。其实他们都是对接时候需要的一起。绿色的杆状物实际上可以理解成一个潜望镜,用于手动交会对接以及定向。后两个则是垂直红外传感器,也会辅助定位用。

(挖坑,俄式、美式各种对接的方式,各种雌雄同体,雌雄异体对接方式、对接器结构和步骤将会在今后的更新中推出,Tanue同学正在研读相关文献,这部分也和他的毕设有很大关系,敬请期待!)

可能有细心的同学会发现,整流罩应该是包着整个航天器的,为什么这个只包到了返回舱,底下的轨道舱怎么不见了。

原因其实很简单。由于我们并不需要带着轨道舱分离,如果是一整块整流罩,分离的时候就需要破坏整流罩,然而既没有那个时间也没有那个必要还徒增危险性,工程师们就把整流罩底部和上部分开了,同时,仅在危急情况下分离。

主体结构我们已经讲完了,现在我们开始讲紧急逃生程序以及过往事例。

紧急逃生系统一共分为三个时间段。

其中第一个阶段是在发射前15分钟到发射后约160秒。发射前15分钟,紧急救援系统进入待机状态,随时启动。

这个时候整流罩没有抛离神舟系列飞船提供电力结构是?,119秒之前我们有逃逸塔可以带着宇航员冲出险境,119之后,我们有整流罩上的发动机带着他们回家。

在脱离火箭之后,转向发动机以及分离发动机激活。分离返回舱同时远离到安全距离。随后触发下降控制系统。这个时候,返回舱的姿态控制系统接入,稳定住飞船的姿态,减少扰动。气压传感器在合适的时候会激活降落伞系统,包括引导伞以及主降落伞。当然神舟系列飞船提供电力结构是?,也是有风险的。固体发动机产生的过载高达10G,工作时间大约2秒左右。这会让宇航员非常痛苦。但是为了逃离灾难,这也是值得的。

到目前为止,逃逸塔成功带着宇航员死里逃生的事情仅仅发生过一次。是发生在联盟T-10-1任务中,时间是1983年9月26日,火箭直接爆炸在发射台上。火箭发动机预启动90秒时,负责给燃气发生器燃料供应系统润滑的阀门产生故障,最终导致涡轮泵过热燃烧,随后引起燃料爆炸。20秒后,发射台已经是一片火海,这时我们的SAS带着宇航员先是升到了650米高度,随后又通过惯性一直到950米,最终安全落地。由于这个返回舱几乎没有受到损害,于是乎在1986年的T-15任务,它重复使用且同样安全返航。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

这是SAS发动机启动的场景。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

这张是SAS系统和返回舱分离的场景。

我们可以看到,此时的返回舱降落伞系统已经激活。

第二个时间阶段是160-522秒之间,这是火箭还在提供推力。如果这个时候火箭突然发生事故或者意外停止工作,航天器会很快进入紧急状态。由于这个时候已经突破了大气层,分离后,飞船的控制系统将把返回舱的隔热层对准来流的方向,按照普通的返回程序进行,最终和普通着陆的体验差不多。

这种事故同样仅仅发生了一次,但是这次的危险系数极高。1975年4月5日,拉扎列夫和马卡洛夫原本执行对接礼炮4号任务。火箭的二三级分离采用了热分离,也就是三级发动机开启,随后螺栓炸开,二级分离。但是问题就发生在此时,6个螺栓只炸开了3个,虽然后来发动机的强大推力扯开了剩下三个,但是此时已经产生了太大的偏航。火箭的姿态开始不可控,SAS系统再次介入,直接开始紧急降落程序。

但是不幸的是并没有准确进行该程序。由于早期的控制系统的缺陷,他们在启动系统时偏转过大,导致飞船系统无法分清自己的上面和下面,导致没能正确角度进入大气层,没有产生应有的升力减小力学过载。最终的过载甚至达到了21G,宇航员甚至出现了短暂的心脏停搏。降落的位置逼近悬崖,幸好一棵树钩住了降落伞,否则后果不堪设想。宇航员的身体都受到了非常严重的影响,甚至影响了接下来的生活和工作。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

第三个阶段就是522秒到入轨这段时间。这段时间几乎和上一种差不多。都是紧急执行降落程序。不同的是,这种操作即使一切正常也会有超过10G的过载。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

塔斯社的这张图简单地说明了这几种方式。

三、事故原因分析及“联盟火箭”一二级分离解析

根据火箭发回来的图像神舟系列飞船提供电力结构是?,我们可以看到,一级分离的时候,有一个助推器的分离出现了问题。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

联盟火箭有一个非常著名的梗,叫做“科罗廖夫十字”,就是指其一二级正常分离的时候,助推器会在空中呈现一个优雅的十字。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

这样的设计可以称之为优雅,但是实际上也有他的苦衷,我们稍后讲。

我们来看一下官方的调查结果。

在2018年11月1日,调查结果说,在D助推器上的分离区域的限位开关在组装时出现错误。在火箭的控制系统发出分离命令时,底部固定装置,和球形接头分离成功,但是限位装置没有解开,且氧化剂罐喷口也未能提供分离需要的力。这是D助推器撞击了火箭的主体。产生了两个后果,一是直接造成了火箭的不稳定。这个是可以通过游发动机修正的。但是二是球型头撞击了火箭的主体造成正在运行的二级发动机的燃料罐失压并释放气体,这部分气体产生了巨大推力以至于控制系统判定无法挽回,随即进入紧急状态,关闭芯级发动机,SAS运行,随后弹道返回。

说了这么多可能您那还有一些懵懂。这实际是上和“联盟”系列火箭的基础设计分不开的。

首先我们来看一下火箭的基础结构。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

火箭基础结构。

我们今天只讲一级和二级部分连接和分离。

我们可以很清楚的看到,实际上推力和一级火箭的中心轴是并不在一条直线的。如图所示。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

这就对分离提出了很高的要求。因为一旦分离出现问题,很有可能就会造成一级火箭和主体相撞的事件,这也是“科罗廖夫十字”出现的初衷。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

首先我们用模拟的方式来展示一下其分离的整个过程。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

其中上图是一级发动机的所有开口。从左到右是发动机推力,中间是燃料箱的开口,右侧是氧化剂罐的开口。这些都是在分离的时候提供侧向推力的部件。下图我们可以看到一级火箭和火箭连接的两个固定支座。其中推力主要有右侧的支座提供,其有很巧妙的设计。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

我们可以看到在组装之前的一级火箭,其侧边红色的盖子正是氧化剂的喷口。它的作用就是在分离时将一级推开远离中央的芯级。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

途中白色的圈内正是其一级和火箭主体连接的地方,也是其主要承力的地方。同时这里也负责火箭控制系统和一级的通信和控制信号传输。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

这是已经追落到地上的火箭一级,我们要着重看一下右侧的头部,这个一个球形的支座,这个支座和火箭的连接是这样的。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

在火箭上有与之相对应的结构连接。如果还不够清晰,我们可以看一下简化图。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

其中2和3均是检验是否分离的传感器。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

这就是其组装过程,下图就是其组装完成的样子。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

上面讲完了,我们现在继续讲下面的连接结构。我们看一下火箭从下到上的仰视图,这样可以更加清晰地看到其如何连接和承力。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

下侧的每一个火箭都由两根杆连接器固定在火箭主体上。现在基础知识我们就基本讲完啦,可以继续讲详细的分离过程了!先给大家看一下图纸示意图,

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

分离的第一步,就是减小侧向发动机的推力,直至慢慢关闭。与此同时,断开火箭底部的连接,这时火箭的加速度会在短时间内减小(因为发动机关了嘛),侧向的四个一级火箭开始向外旋转,与此同时,球形的支架开始解除部分限位装置,沿着限位装置向下移动。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

我们可以注意到,分离后支架是连在分离的一级上的。因为螺栓的爆炸是在火箭的主体上进行的。爆炸后,就以这样的角度向外倾转。与此同时:

火箭上部分由A0运动到A1位置。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

一级火箭头部的传感器感应到球形支架的脱离之后,就会继续启动爆炸螺栓,一级火箭完全脱离火箭中心,并控制氧化剂罐喷口向外喷射剩余的氧化剂以提供推力。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

在转到一定角度后,燃料罐的喷口也会启动,让以及更远地脱离火箭。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

随后就是我们可以见到地科罗廖夫十字。

我们继续用两组照片回顾一下分离的壮观景象。

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

从bobty综合体育2018年联盟飞船发射事故说起——原因分析及联盟火箭部分结构简析

到此为止,我们基本简单掌握了火箭的分离过程。正如上图所说,由A0到A1的过程出现问题,随后不正常分离是这次事故的主因。当然可靠的冗余度设计和紧急逃生系统,救了航天员一命,也没有因此造成更大的损失。

回顾联盟火箭和飞船的历史,发生的事故虽然伤亡并不大,但是每一个英雄都可歌可泣。打不开降落伞的科马洛夫,失压身亡的格奥尔基、维克多和沃尔科夫等等,现在安全的联盟飞船和火箭完完全全是鲜血换来的。

如今,中美俄三国的新型火箭及载人飞船都已经如火如荼地推进中。美国的载人龙即将在年中从美国本土发射,中国的新型载人飞船即将在今年进行无人飞行测试,俄罗斯的新型飞船“联邦“号将在不迟于2024年发射升空。在接下来的几年之间,我们还会看到改进后的”联盟“以及近亲”进步“货运飞船出现在我们头顶的上空,以及新闻的版面中。未来可期,航天活动将会越来越活跃。高端玩家中美俄欧的持续发力,让我们在星辰大海中继续探索!

bobty综合体育明天早晨“进步“货运飞船发射,同时将进行快速对接,仅仅三小时就将要对接国际空间站,我们拭目以待吧!

返回上一步
打印此页
13528006698
浏览手机站