spaceX火箭爆炸緣由：注入氮?dú)馀c包裹層碳纖維發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

　　距離SpaceX在9月1日發(fā)生的爆炸事故已經(jīng)過(guò)去兩個(gè)月了，事故調(diào)查報(bào)告仍未最終出爐，但依隆·馬斯克在近日接受CNBC獨(dú)家采訪的過(guò)程中透露了事故的最終原因，為了解釋清這次航天史上從未有過(guò)的離奇爆炸事故，我們特地翻譯了一篇外文解析文章，希望能為你答疑解惑。而有關(guān)調(diào)查完畢后恢復(fù)發(fā)射的最新消息，詳見(jiàn)正文后主頁(yè)君的日常嘮叨。

　　譯注：事故原因逐漸浮出水面，原因是與COPV直接接觸的少量超冷液氧在氦氣加注過(guò)程中固化，隨著氦氣的充入，金屬內(nèi)膽逐漸膨脹并將固體氧擠壓入包裹在外的碳纖維中，最終兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引發(fā)爆炸。這消除了我們之前有關(guān)于設(shè)計(jì)缺陷的擔(dān)心，只需要稍修改加注流程，這樣的悲劇便能避免，看起來(lái)12月的復(fù)飛越來(lái)越近了。

　　到目前為止，對(duì)于9月1日的那場(chǎng)離奇事故，我還沒(méi)有看到最終調(diào)查報(bào)告的出臺(tái)。但當(dāng)近日依隆·馬斯克在CNBC對(duì)他的采訪中反復(fù)提及幾個(gè)詞時(shí)，這一下引爆了我的思維?！f(shuō)的是液氦和固態(tài)氧。這次的重要訪談讓我們能夠了解他們目前的處境是什么，為什么SpaceX能夠如此自信的判斷：他們的獵鷹-9火箭可以在下月(12月)恢復(fù)發(fā)射。

　　9月1號(hào)的事故擊碎的不僅僅是一次發(fā)射，而是火箭復(fù)用的理想。

　　已經(jīng)有一段時(shí)間了，我們知道爆炸是由“復(fù)合材料纏繞壓力容器”(COPV，Composite Overwrapped Pressure Vessel)引起的(譯注：獵鷹-9火箭的COPV由鋁制內(nèi)襯和碳纖維外殼組成，內(nèi)襯的作用只是隔絕容器內(nèi)外，強(qiáng)度由外面纏繞的碳纖維提供。)。COPV是在高壓下用于保存氣體的罐子。在獵鷹-9火箭中，它用于保存氦氣。氦氣在獵鷹-9火箭中具有廣泛的用途，比如罐體加壓和級(jí)間分離。

　　COPV并不是一個(gè)新鮮事物，它被用于火箭中已經(jīng)有幾十年了。COPV具有優(yōu)秀的力學(xué)性能和極輕的結(jié)構(gòu)重量，它主要由纖維組成，因此在某些方面它的性質(zhì)更趨向于織物而不是金屬。

　　某次發(fā)射任務(wù)后從天而降的獵鷹9火箭的COPV，底部可以清晰地看到露出來(lái)的碳纖維，纖維包裹的內(nèi)膽采用的則是鋁合金，具體工藝和合金牌號(hào)不詳。

　　在這里我要說(shuō)的，SpaceX做的另一件事是它給火箭加注接近冰點(diǎn)的液氧而不是其他火箭普遍采用的接近沸點(diǎn)的液氧。因此，這構(gòu)成了此次爆炸事故第二個(gè)重要的因素——接近三相點(diǎn)的液氧。有時(shí)候，COPV將吸收少量的液氧。但是事物并不會(huì)簡(jiǎn)單的相加，液氧已經(jīng)冷卻得更冷，但它仍然是液體，這兩原本風(fēng)馬牛不相及的東西是如何帶來(lái)的固態(tài)氧的呢?

　　通常情況下，如果不停的給一個(gè)固定大小的儲(chǔ)箱充氣，氣體會(huì)放出大量的熱。我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我在給自行車(chē)輪胎打氣時(shí)，輪胎會(huì)變得非常熱。這可以由理想氣體定律pV=nRT來(lái)描述，當(dāng)把COPV填充到獵鷹-9的5500 psi時(shí)，產(chǎn)生的熱量將十分驚人。(主頁(yè)君注：p是指理想氣體的壓強(qiáng)，V為理想氣體的體積，n表示氣體物質(zhì)的量，而T則表示理想氣體的熱力學(xué)溫度;R為理想氣體常數(shù)。psi單位則是磅每平方英寸，一種老美的常用壓強(qiáng)單位)

　　如果在普通火箭中，COPV(譯注：原文如此，但實(shí)際上很少有火箭直接將COPV浸于液氧中使用)是浸在低沸點(diǎn)的液氧罐中的，這不是問(wèn)題。液氧將隨著COPV充氣的進(jìn)行而被加熱，過(guò)熱的液氧將蒸發(fā)帶走這部分額外的熱量。然后，地面設(shè)備會(huì)將另外的液氧注入火箭來(lái)彌補(bǔ)這部分的損失。

　　聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟旗下的“半人馬座”上面級(jí)，它的氦氣瓶懸掛于儲(chǔ)箱尾部。

　　我們來(lái)對(duì)比一下，圖為獵鷹-9火箭的二級(jí)液氧儲(chǔ)箱，圖中液氧液面已經(jīng)下降了不少，而在二級(jí)點(diǎn)火前COPV都是浸泡在滿滿的液氧中的，這種設(shè)計(jì)相當(dāng)少見(jiàn)，甚至可以稱(chēng)得上是SpaceX首創(chuàng)。

　　但是，追求技術(shù)先進(jìn)性的SpaceX往往不走尋常路。SpaceX使用的是接近三相點(diǎn)的超低溫液氧(主頁(yè)君注：也就是我們常說(shuō)的“預(yù)冷液氧”或“過(guò)冷液氧”，獵鷹-9加注的液氧溫度比正常火箭所采用的還要低，意圖利用過(guò)冷液氧的高密度特性，在儲(chǔ)箱尺寸不變的前提下貯存更多的液氧推進(jìn)劑，從而榨干火箭的運(yùn)力，煤油預(yù)冷類(lèi)似)，如此低的溫度便不允許COPV的熱量進(jìn)入液氧。熱量的釋放將引起推進(jìn)劑溫度的上升，而密度和溫度有關(guān)，更高的溫度意味著只能攜帶更少的推進(jìn)劑，從而導(dǎo)致火箭運(yùn)載系數(shù)的下降。所以，追求更大運(yùn)載能力的SpaceX不會(huì)采用目前常規(guī)的COPV充氣方法。

　　那么氦氣是如何充入COPV的呢?固態(tài)氧又是怎樣產(chǎn)生的?在此之前的我們還不知道SpaceX是如何處理液氧加熱問(wèn)題的。直到昨天，采訪中的馬斯克提到他們會(huì)使用液氦填充COPV，而不是完全充入氦氣。這種加注程序能盡可能的保證液氧低溫：在COPV注入液氦來(lái)吸收加熱產(chǎn)生的熱量。熱量會(huì)使液氦沸騰，而不會(huì)加熱它們外部的液氧。(主頁(yè)君注：就是說(shuō)，SpaceX為了防止加壓用的氦氣加熱液氧，影響預(yù)冷效果，采用沸點(diǎn)低至-268.9攝氏度的液氦來(lái)灌裝COPV，這樣一來(lái)，液氧是不會(huì)吸熱蒸發(fā)了，但是液氧熔點(diǎn)只有-218.4攝氏度，液氦反倒吸收了液氧的熱量，導(dǎo)致部分滲入COPV碳纖維縫隙間的預(yù)冷液氧變成了固態(tài)氧)

　　只要去查一下表，我們都知道液氦三相點(diǎn)比液氧的更低。顯然，SpaceX知道其中的差異，為什么他們的火箭科學(xué)家不認(rèn)為這會(huì)有問(wèn)題?

　　事實(shí)證明，液氦是一種非常奇怪的物質(zhì)。它的一個(gè)特性是具有非常低的比熱容。通俗來(lái)講，它只需要很少的熱量，便能加熱到很高的溫度。顯然，SpaceX的工程師們認(rèn)為只要在液氧中留下足夠的熱量時(shí)，液氧便不會(huì)凝結(jié)成固體?？杀氖牵皇谴蠖鄶?shù)時(shí)候，他們是正確的。

　　當(dāng)接近三相點(diǎn)的液氧浸入COPV纖維時(shí)，它發(fā)生了極少量的凍結(jié)，這是一場(chǎng)災(zāi)難。COPV具有5500 psi的壓力，纖維被強(qiáng)力地壓縮。這時(shí)，如果和COPV纖維交織在一起的氧氣是液體或是氣體，那么它將被擠出。但它不是，它是固態(tài)氧。

　　COPV剖切開(kāi)后的橫截面，銀色的就是鋁合金內(nèi)膽，液氧就是滲入了箭頭所指的這種材料縫隙中。

　　典型的碳纖維纏繞過(guò)程。

　　更糟的是，碳纖維會(huì)和液體或固體的氧氣反應(yīng)，很容易爆炸，這一點(diǎn)我們?cè)缫阎?。而且，這一切只需要一點(diǎn)點(diǎn)機(jī)械應(yīng)力，便能觸發(fā)。所有這些碳纖維與固態(tài)氧，需要的只是一點(diǎn)點(diǎn)(主頁(yè)君注：根據(jù)原文，液態(tài)氧也會(huì)反應(yīng)，但由于受壓能夠擠出，所以不會(huì)爆炸，事實(shí)上碳纖維復(fù)合材料跟液氧的相容性問(wèn)題從90年代已經(jīng)很著名了，只不過(guò)不是這種形式)。形成了這種組合時(shí)，碳和氧會(huì)爆炸，隨后，會(huì)波及到整個(gè)COPV。

　　從初步的調(diào)查報(bào)告中我們可以得知，爆炸損壞了COPV，大量的氦氣沖入二級(jí)火箭儲(chǔ)箱中，超壓引發(fā)了整個(gè)二級(jí)的爆炸。

　　用馬斯克的話來(lái)說(shuō)，這是一場(chǎng)史無(wú)前例的事故。是的，在新技術(shù)的追求之路上，總會(huì)有犧牲。這點(diǎn)小挫折，就當(dāng)是交給宇宙征途中的一點(diǎn)小學(xué)費(fèi)了。

　　事故說(shuō)完了，其實(shí)炸就炸了，馬斯克現(xiàn)在在復(fù)合材料上交學(xué)費(fèi)無(wú)論如何也比去火星的時(shí)候再交要便宜多了!而且最新的消息是，SpaceX已經(jīng)進(jìn)行了事故調(diào)查中的重要一步——事故復(fù)現(xiàn)。(如果最終事故結(jié)論與我們翻譯的解析有差異，我們會(huì)另行撰文)

　　當(dāng)然了，肯定不是拿一個(gè)全新的獵鷹-9二級(jí)來(lái)做實(shí)驗(yàn)，而是類(lèi)似于圖中這種的破壞性試驗(yàn)模擬環(huán)境，模擬預(yù)冷加注過(guò)程中固態(tài)氧導(dǎo)致的COPV破裂爆炸。

　　這樣一來(lái)，前段時(shí)間盛傳的 COPV與儲(chǔ)箱加注形成聲致共振導(dǎo)致COPV破裂的理論只能被掃入故紙堆了。不過(guò)好在證明了COPV本身的設(shè)計(jì)并沒(méi)有問(wèn)題，火箭本身的設(shè)計(jì)并不是導(dǎo)致這次事故的根本原因(這個(gè)結(jié)論可能稍微武斷了一些)。但是奇怪的在于獵鷹-9火箭的一級(jí)也是這種類(lèi)似的加注模式，但是卻并沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)這種事故，目前也沒(méi)有證據(jù)顯示一、二級(jí)的COPV在加注流程上存在差異，SpaceX也沒(méi)有說(shuō)明兩者區(qū)別。但是SpaceX認(rèn)為，我們已經(jīng)找到了問(wèn)題，而且找到了問(wèn)題的解決辦法——對(duì)加壓用氦氣的加注流程作出修改，避免發(fā)生液氧固化的現(xiàn)象，暫時(shí)沒(méi)有涉及硬件上的改動(dòng)。

　　這樣一來(lái)，SpaceX應(yīng)該籌備恢復(fù)發(fā)射了，因?yàn)榈紫碌目蛻?hù)已經(jīng)急得像熱鍋上的螞蟻了。。。其中銥星公司更是可以稱(chēng)得上“哭暈在廁所了”，本來(lái)年底要有兩次發(fā)射，共20顆銥星入軌，結(jié)果現(xiàn)在連個(gè)毛都看不到，庫(kù)房里的衛(wèi)星每在地面多呆一天，白花花的銀子就會(huì)不停流走。此外據(jù)《華爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道，SpaceX的很可能要因?yàn)榇舜伟l(fā)射痛失大客戶(hù)Inmarsat PLC的衛(wèi)星(大名鼎鼎的海事衛(wèi)星)發(fā)射訂單，而在之前這家歐洲衛(wèi)星通信公司曾信誓旦旦地表達(dá)過(guò)對(duì)SpaceX重啟衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃的信心，沒(méi)辦法，畢竟時(shí)間不等人。

　　既然SpaceX沒(méi)有選擇退回前輩們所采用的浸泡冷卻氦氣瓶的傳統(tǒng)模式——鈦合金氦氣瓶，那么恢復(fù)發(fā)射看來(lái)已經(jīng)是指日可待了，之所以繼續(xù)冒險(xiǎn)，正因?yàn)镃OPV相對(duì)于鈦合金氣瓶在重量和成本兩個(gè)方面依舊有著突出的優(yōu)勢(shì)。而大家都知道，老馬對(duì)省錢(qián)這件事兒的迷醉甚于毒品。。。

　　于是乎，目前所有的消息源都指向SpaceX將于12月恢復(fù)發(fā)射，具體時(shí)間和具體任務(wù)待定!

　　十月末，德州測(cè)試場(chǎng)迎來(lái)了編號(hào)031的新火箭一級(jí)，全時(shí)長(zhǎng)點(diǎn)火測(cè)試已經(jīng)完成，該一級(jí)已經(jīng)運(yùn)往卡納維拉爾角的LC-39A發(fā)射工位，成為恢復(fù)發(fā)射的火箭。

　　點(diǎn)火測(cè)試前的恢復(fù)發(fā)射用的二級(jí)，其實(shí)最醒目的是右側(cè)紅框中的結(jié)構(gòu)測(cè)試箭體，根據(jù)外媒消息，現(xiàn)在立在這里的是重型獵鷹火箭的助推器結(jié)構(gòu)測(cè)試箭體，芯級(jí)測(cè)試箭體已經(jīng)完成測(cè)試?yán)摺?/p>

　　當(dāng)然還有更驚人的消息——重型獵鷹火箭首飛箭的左右兩個(gè)助推器將使用回收后的獵鷹9火箭一級(jí)改裝而成!(紅框中)我真的想說(shuō)，馬斯克，你能再摳門(mén)點(diǎn)兒么?起初消息放出來(lái)我是不信的，但是現(xiàn)在越來(lái)越多的內(nèi)部消息證實(shí)了這個(gè)做法。

　　二級(jí)點(diǎn)火測(cè)試畫(huà)面

　　以色列Spacecom公司：Amos-6 衛(wèi)星制造商IAI說(shuō)，它將從保險(xiǎn)公司收到1.96億美元，而信威的收購(gòu)將繼續(xù)，當(dāng)然正如我所預(yù)言的，估值上肯定要有所變動(dòng)了

　　除此之外，對(duì)于明年的載人龍任務(wù)，為了能夠騰出更多精力準(zhǔn)備暫定于明年的載人龍發(fā)射，SpaceX決定從CRS-11補(bǔ)給任務(wù)(下一次任務(wù)是CRS-10)開(kāi)始，使用回收并翻新后的貨運(yùn)龍飛船為國(guó)際空間站送去補(bǔ)給。SpaceX官方表示，復(fù)用貨運(yùn)龍飛船過(guò)程中最難處理的問(wèn)題就是海水的腐蝕，這也是下一代龍飛船采用陸上反推著陸的原因之一，但無(wú)論如何，貨運(yùn)龍的復(fù)用也是人類(lèi)航天史上的一次全新嘗試了，同樣值得贊許。

　　圖為海上回收回來(lái)的貨運(yùn)龍飛船，底部七扭八歪的噴口是Draco引擎，旁邊的大叔是“梅林”(Merlin)系列發(fā)動(dòng)機(jī)的締造者Tom Muller，曾任TRW公司總設(shè)計(jì)師

　　說(shuō)真的，追隨前人的腳步進(jìn)行設(shè)計(jì)確實(shí)能夠少走很多彎路，但是老馬寧可交著學(xué)費(fèi)，頂著風(fēng)險(xiǎn)，面對(duì)著各種航天史上從未出現(xiàn)過(guò)的稀奇古怪的事故來(lái)不斷創(chuàng)新，雖然交學(xué)費(fèi)幾乎是板上釘釘?shù)氖虑?，不過(guò)我們還是希望他少交點(diǎn)兒比較好。畢竟現(xiàn)在愿意這么做的人真的不多了。