spaceX火箭爆炸緣由：注入氮氣與包裹層碳纖維發(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)過去兩個月了，事故調(diào)查報告仍未最終出爐，但依隆·馬斯克在近日接受CNBC獨家采訪的過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，詳見正文后主頁君的日常嘮叨。

　　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12月的復(fù)飛越來越近了。

　　到目前為止，對于9月1日的那場離奇事故，我還沒有看到最終調(diào)查報告的出臺。但當(dāng)近日依隆·馬斯克在CNBC對他的采訪中反復(fù)提及幾個詞時，這一下引爆了我的思維。——他說的是液氦和固態(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，比如罐體加壓和級間分離。

　　COPV并不是一個新鮮事物，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不詳。

　　在這里我要說的，SpaceX做的另一件事是它給火箭加注接近冰點的液氧而不是其他火箭普遍采用的接近沸點的液氧。因此，這構(gòu)成了此次爆炸事故第二個重要的因素——接近三相點的液氧。有時候，COPV將吸收少量的液氧。但是事物并不會簡單的相加，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的固態(tài)氧的呢?

　　通常情況下，如果不停的給一個固定大小的儲箱充氣，氣體會放出大量的熱。我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我在給自行車輪胎打氣時，輪胎會變得非常熱。這可以由理想氣體定律pV=nRT來描述，當(dāng)把COPV填充到獵鷹-9的5500 psi時，產(chǎn)生的熱量將十分驚人。(主頁君注：p是指理想氣體的壓強，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單位)

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

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

　　我們來對比一下，圖為獵鷹-9火箭的二級液氧儲箱，圖中液氧液面已經(jīng)下降了不少，而在二級點火前COPV都是浸泡在滿滿的液氧中的，這種設(shè)計相當(dāng)少見，甚至可以稱得上是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的超低溫液氧(主頁君注：也就是我們常說的“預(yù)冷液氧”或“過冷液氧”，獵鷹-9加注的液氧溫度比正?；鸺捎玫倪€要低，意圖利用過冷液氧的高密度特性，在儲箱尺寸不變的前提下貯存更多的液氧推進(jìn)劑，從而榨干火箭的運力，煤油預(yù)冷類似)，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)致火箭運載系數(shù)的下降。所以，追求更大運載能力的SpaceX不會采用目前常規(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題的。直到昨天，采訪中的馬斯克提到他們會使用液氦填充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注入液氦來吸收加熱產(chǎn)生的熱量。熱量會使液氦沸騰，而不會加熱它們外部的液氧。(主頁君注：就是說，SpaceX為了防止加壓用的氦氣加熱液氧，影響預(yù)冷效果，采用沸點低至-268.9攝氏度的液氦來灌裝COPV，這樣一來，液氧是不會吸熱蒸發(fā)了，但是液氧熔點只有-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)為這會有問題?

　　事實證明，液氦是一種非常奇怪的物質(zhì)。它的一個特性是具有非常低的比熱容。通俗來講，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，液氧便不會凝結(jié)成固體。可悲的是，只是大多數(shù)時候，他們是正確的。

　　當(dāng)接近三相點的液氧浸入COPV纖維時，它發(fā)生了極少量的凍結(jié)，這是一場災(zāi)難。COPV具有5500 psi的壓力，纖維被強力地壓縮。這時，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程。

　　更糟的是，碳纖維會和液體或固體的氧氣反應(yīng)，很容易爆炸，這一點我們早已知道。而且，這一切只需要一點點機械應(yīng)力，便能觸發(fā)。所有這些碳纖維與固態(tài)氧，需要的只是一點點(主頁君注：根據(jù)原文，液態(tài)氧也會反應(yīng)，但由于受壓能夠擠出，所以不會爆炸，事實上碳纖維復(fù)合材料跟液氧的相容性問題從90年代已經(jīng)很著名了，只不過不是這種形式)。形成了這種組合時，碳和氧會爆炸，隨后，會波及到整個COPV。

　　從初步的調(diào)查報告中我們可以得知，爆炸損壞了COPV，大量的氦氣沖入二級火箭儲箱中，超壓引發(fā)了整個二級的爆炸。

　　用馬斯克的話來說，這是一場史無前例的事故。是的，在新技術(shù)的追求之路上，總會有犧牲。這點小挫折，就當(dāng)是交給宇宙征途中的一點小學(xué)費了。

　　事故說完了，其實炸就炸了，馬斯克現(xiàn)在在復(fù)合材料上交學(xué)費無論如何也比去火星的時候再交要便宜多了!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，我們會另行撰文)

　　當(dāng)然了，肯定不是拿一個全新的獵鷹-9二級來做實驗，而是類似于圖中這種的破壞性試驗?zāi)M環(huán)境，模擬預(yù)冷加注過程中固態(tài)氧導(dǎo)致的COPV破裂爆炸。

　　這樣一來，前段時間盛傳的 COPV與儲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。不過好在證明了COPV本身的設(shè)計并沒有問題，火箭本身的設(shè)計并不是導(dǎo)致這次事故的根本原因(這個結(jié)論可能稍微武斷了一些)。但是奇怪的在于獵鷹-9火箭的一級也是這種類似的加注模式，但是卻并沒有出現(xiàn)過這種事故，目前也沒有證據(jù)顯示一、二級的COPV在加注流程上存在差異，SpaceX也沒有說明兩者區(qū)別。但是SpaceX認(rèn)為，我們已經(jīng)找到了問題，而且找到了問題的解決辦法——對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，暫時沒有涉及硬件上的改動。

　　這樣一來，SpaceX應(yīng)該籌備恢復(fù)發(fā)射了，因為底下的客戶已經(jīng)急得像熱鍋上的螞蟻了。。。其中銥星公司更是可以稱得上“哭暈在廁所了”，本來年底要有兩次發(fā)射，共20顆銥星入軌，結(jié)果現(xiàn)在連個毛都看不到，庫房里的衛(wèi)星每在地面多呆一天，白花花的銀子就會不停流走。此外據(jù)《華爾街日報》報道，SpaceX的很可能要因為此次發(fā)射痛失大客戶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)過對SpaceX重啟衛(wèi)星發(fā)射計劃的信心，沒辦法，畢竟時間不等人。

　　既然SpaceX沒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)射看來已經(jīng)是指日可待了，之所以繼續(xù)冒險，正因為COPV相對于鈦合金氣瓶在重量和成本兩個方面依舊有著突出的優(yōu)勢。而大家都知道，老馬對省錢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，具體時間和具體任務(wù)待定!

　　十月末，德州測試場迎來了編號031的新火箭一級，全時長點火測試已經(jīng)完成，該一級已經(jīng)運往卡納維拉爾角的LC-39A發(fā)射工位，成為恢復(fù)發(fā)射的火箭。

　　點火測試前的恢復(fù)發(fā)射用的二級，其實最醒目的是右側(cè)紅框中的結(jié)構(gòu)測試箭體，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)測試箭體，芯級測試箭體已經(jīng)完成測試?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助推器將使用回收后的獵鷹9火箭一級改裝而成!(紅框中)我真的想說，馬斯克，你能再摳門點兒么?起初消息放出來我是不信的，但是現(xiàn)在越來越多的內(nèi)部消息證實了這個做法。

　　二級點火測試畫面

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

　　除此之外，對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補給任務(wù)(下一次任務(wù)是CRS-10)開始，使用回收并翻新后的貨運龍飛船為國際空間站送去補給。SpaceX官方表示，復(fù)用貨運龍飛船過程中最難處理的問題就是海水的腐蝕，這也是下一代龍飛船采用陸上反推著陸的原因之一，但無論如何，貨運龍的復(fù)用也是人類航天史上的一次全新嘗試了，同樣值得贊許。

　　圖為海上回收回來的貨運龍飛船，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)動機的締造者Tom Muller，曾任TRW公司總設(shè)計師

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