太空保险业者谈火箭发射成功率

2023年4月20日，SpaceX公司的以超重型火箭为助推器的“星舰一号”飞船在美国德州Boca Chica发射升空。（PATRICK T. FALLON/AFP via Getty Images）

火箭发射可能会出现很多问题，并成为轰动性头条新闻。然而，几十年来，发射故障率却保持出奇地一致，且有其特殊的规律。

星舰一号（Starship One）是商业航天机构SpaceX迄今为止最大的一次发射。这是一个极具未来感的星际飞船，其测试模型安装在巨大的超重型火箭的顶部，它的首次发射是全球翘首以待的焦点。 2023年4月20日，在美国德州博卡奇卡（Boca Chica）发射台，当火箭在巨大烟雾和灰尘中升空时，开启了太空探索的新纪元。

星舰一号的首次发射本应先绕行地球一圈然后进入地球大气层并坠入墨西哥湾温暖的水域。但是，超重型火箭（Super Heavy）助推器的33个引擎中有3个在发射时点火失败，更多的引擎在升空后失效。在升空将近四分钟后，火箭开始急剧下坠，人为引爆后于墨西哥湾上空销毁。

星舰一号首飞失败是21世纪新太空竞赛中一个引人注目的事件。 SpaceX表示，这次失败为下一次发射提供了很多重要的教训，而下一次发射只能等清理严重受损的博卡奇卡发射场之后才能进行。 不过，SpaceX并不认为这是一次失败，而是为下次成功发射所做的铺垫。

以数据计算发射成功率

但失败通常比常规的成功更能拍出好的镜头画面，获得更广泛的报道。自人类开始认真地将火箭送入太空以来已超过75年，那么火箭发射的成功率到底有多大？

大卫·韦德（David Wade）是风险评估者之一。韦德是Atrium太空保险公司的承销商（underwriter），这是一家支持商业太空发射的保险机构。“去年（2022年），有186次发射，”他说。这些发射将2,509颗卫星送入太空轨道，其中大部分是SpaceX的互联网星链（Starlink）卫星。 “SpaceX猎鹰9号一次发射多达60颗卫星，”韦德说。而在186次发射中，只有8次失败。

这样算出失败率大约为4%，即每25次发射就有一次失败。但韦德说，去年打破了火箭发射次数的记录，2022年的火箭发射次数比2021年多了40次，是2017 年的两倍。但随着太空交通量的增加，风险也随之增加。

2022是特殊的一年

“我想说的是，去年我们看到的失败比往年更多，因为我们开始经历一个新的阶段，此阶段中有相当多的新运载火箭接受了测试，”Wade 说，“而运载火箭的早期飞行总是会有更多问题。”

星舰一号和美国宇航局（NASA）的阿尔忒弥斯计划（Artemis，于2022年11月首次成功发射）是这些新型运载火箭中最具魅力的。但它们只是冰山一角，还有更多新的发射技术正在开发中。这些新的运载火箭会带来了更多不确定性，尤其是它的最初几次飞行。

“通常情况下，第一次或第二次发射，你预计其中30%会失败，”韦德说。 “然后事情开始好转，当你进行到第10次飞行时，你可能看到失败率低于5%。”

“很难真正准确地指出为什么有些失败了，有些则没有，”他说。 “你看到前两次付出了很多努力，做了大量的研究，大量的质量控制，确保一切运行良好。然而，仍会失败，因为一些意想不到的事情发生了，这通常发生在前几次飞行。”

“载人飞船发射失败率通常较低，约为2%，并只有1%左右完全没有进入轨道，”大卫·托德（David Todd）说，托德是航天行业的分析师，自1957年Sputnik人造卫星发射以来，一直在跟踪地球轨道火箭的发射。“这种较低的失败率是因为，大量这些载人发射都使用了俄罗斯联盟号火箭（Soyuz rocket），它持续使用了几十年，非常可靠。当然也是因为，对于载人发射，大家都会格外小心。”

“顺便说一下，我们将2003年哥伦比亚航天飞机（Columbia Space Shuttle）在返航进入大气层时解体的事故算作‘发射失败’，因为其原因是在发射过程中隔热系统出了故障。另外，值得注意的是，载人航天器携带发射逃生系统，可以在发射失败时拯救宇航员——1975年的联盟18A事故就是一例。”

2022年全年，SpaceX 以每六天一枚的速度成功发射了猎鹰9号火箭。新西兰——太空发射上的无名小卒——也从北岛东海岸的一个羽翼未丰的太空港成功发射了九枚火箭。

2016年4月8日，SpaceX公司的“猎鹰9号”火箭第一次成功回收并垂直降落在大西洋上的一个平台上。（NASA via Getty Images）

太空保险领域的挑战

这一系列新的发射事件为相对较新的太空保险领域带来了有趣的挑战；韦德以即将发射的欧洲航天局（ESA）火箭阿丽亚娜6号（Ariane 6）为例。 “如果我们现在被要求为阿丽亚娜6号卫星提供保险，比如说针对其第三次发射的保险，那我们可能会说，‘好吧，我们的报价要以之前的两次成功为前提，对吧？’如果其中一个失败了，我们的报价就要改变。”

韦德说，先进的计算机建模和数十年将火箭送入轨道的经验意味着设计师对发射结果有了更好的预期。但是每个新的发射系统都有未知数，在它第一次发射之前其行为只能是假设的。

“火箭发射中涉及到热的高压气体，以及非常快速变化的环境。如果哪里开始出现问题，你来不及阻止它，”韦德说。

有人分析了过去80年的太空发射记录，总结出失败的概率有多大。同时，每周都有新的发射被输入到数据库中，提供给像韦德所在的保险公司这样的客户。

提供数据库的公司对失败的定义还包括了火箭的有效载荷未能到达预定轨道，或在发射中严重受损。看看1950年代的发射，在太空竞赛初期的那些跌跌撞撞的飞跃中，失败率和今天惊人的不同——超过70%。直到1960年代初，这个数字才开始下降，此后一直徘徊在大约7%附近，如果也包括与卫星相关的发射失败的话，失败率则为9%。

韦德说：“在初始阶段，你总会遇到像婴儿长牙一样的痛苦和大挫败。 然后，随着时间的推移，我们说，西方的运载火箭已达到了凤凰涅槃的境界。”

俄罗斯火箭技术是个特例

然而，对于俄罗斯等国家制造的火箭，情况倒是有所不同。在航天飞机退役之后和SpaceX的龙飞船成功发射之前，俄罗斯的质子发射系统（Proton）成功地承担了发射国际太空站（ISS）的联盟号模块的任务，因此与上述在失败中涅槃进而成功的模式颇有不同。 “自1965年开始飞行的质子运载火箭有令人震惊的记录，”韦德说。

他将Proton的成功率与欧洲的Ariane 4和美国的Delta II火箭进行了比较，这几种火箭均连续成功发射了一百多次。“Proton的情况曾经是，每20到25次飞行才会发生一次故障。我认为在俄罗斯，1960年代，很多人因为太空竞赛而进入这个行业。他们是最聪明的大学毕业生，绝对最优秀的人。”

韦德说，太空竞赛的结束和苏联的垮台大大削弱了俄罗斯的航天工业，使其缺乏现金，很多知识也都丢失了，包括只有制造者们本人才知晓的一些工艺细节。

新火箭技术的失败率

谈到新火箭的首次发射，星舰一号的失败看起来不无道理——即使在火箭时代开启80年后，新火箭系列首次发射失败的概率几乎是二分之一，托德说，不断发展的航天工业需要一个接一个的新火箭。

“其中一个问题是发展进步，”托德说。 “火箭一开始会很糟，发展也不顺利，但最终它会变得很好。然后，火箭设计师会被要求制造更好的火箭，这样他们便重新开始新的周期。”

与此同时，韦德发现了隐藏在数据中的另一个有趣模式：失败的可能性在第六次发射时突然上升。“我们通常会看到，前10次飞行中有两次失败，第一次和第二次的失败率通常约为30%。然后它沿着一条漂亮的曲线下降。第六次飞行的失败率突然升高，而且很难确切地知道为什么，可能是在那个阶段，你开始进入常规制造，也许质量控制还没有完全到位。