如何按SpaceX风格引爆一枚火箭:恢复发射前该知道的真相

8328342fd6e22a7距离SpaceX在9月1日发生的爆炸事故已经过去两个月了,事故调查报告仍未最终出炉,但依隆·马斯克在近日接受CNBC独家采访的过程中透露了事故的最终原因,为了解释清这次航天史上从未有过的离奇爆炸事故,我们特地翻译了一篇外文解析文章,希望能为你答疑解惑。而有关调查完毕后恢复发射的最新消息,详见正文后主页君的日常唠叨。

文章来源:航天爱好者网

本文原作者:JonathanBarnhart 翻译:Flying_Pencil

如果你忘了9月1日发生了什么,看这个视频就好!

美国“猎鹰9号”火箭测试时发生爆炸

译注:事故原因逐渐浮出水面,原因是与COPV直接接触的少量超冷液氧在氦气加注过程中固化,随着氦气的充入,金属内胆逐渐膨胀并将固体氧挤压入包裹在外的碳纤维中,最终两者发生化学反应引发爆炸。这消除了我们之前有关于设计缺陷的担心,只需要稍修改加注流程,这样的悲剧便能避免,看起来12月的复飞越来越近了。

到目前为止,对于9月1日的那场离奇事故,我还没有看到最终调查报告的出台。但当近日依隆·马斯克在CNBC对他的采访中反复提及几个词时,这一下引爆了我的思维。——他说的是液氦和固态氧。这次的重要访谈让我们能够了解他们目前的处境是什么,为什么SpaceX能够如此自信的判断:他们的猎鹰-9火箭可以在下月(12月)恢复发射。8328342fd6e22a7

9月1号的事故击碎的不仅仅是一次发射,而是火箭复用的理想。

已经有一段时间了,我们知道爆炸是由“复合材料缠绕压力容器”(COPV,Composite Overwrapped Pressure Vessel)引起的(译注:猎鹰-9火箭的COPV由铝制内衬和碳纤维外壳组成,内衬的作用只是隔绝容器内外,强度由外面缠绕的碳纤维提供。)。COPV是在高压下用于保存气体的罐子。在猎鹰-9火箭中,它用于保存氦气。氦气在猎鹰-9火箭中具有广泛的用途,比如罐体加压和级间分离。

COPV并不是一个新鲜事物,它被用于火箭中已经有几十年了。COPV具有优秀的力学性能和极轻的结构重量,它主要由纤维组成,因此在某些方面它的性质更趋向于织物而不是金属。

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某次发射任务后从天而降的猎鹰9火箭的COPV,底部可以清晰地看到露出来的碳纤维,纤维包裹的内胆采用的则是铝合金,具体工艺和合金牌号不详

在这里我要说的,SpaceX做的另一件事是它给火箭加注接近冰点的液氧而不是其他火箭普遍采用的接近沸点的液氧。因此,这构成了此次爆炸事故第二个重要的因素——接近三相点的液氧。有时候,COPV将吸收少量的液氧。但是事物并不会简单的相加,液氧已经冷却得更冷,但它仍然是液体,这两原本风马牛不相及的东西是如何带来的固态氧的呢?

通常情况下,如果不停的给一个固定大小的储箱充气,气体会放出大量的热。我们可以发现,当我在给自行车轮胎打气时,轮胎会变得非常热。这可以由理想气体定律pV=nRT来描述,当把COPV填充到猎鹰-9的5500 psi时,产生的热量将十分惊人。(主页君注:p是指理想气体的压强,V为理想气体的体积,n表示气体物质的量,而T则表示理想气体的热力学温度;R为理想气体常数。psi单位则是磅每平方英寸,一种老美的常用压强单位)

如果在普通火箭中,COPV(译注:原文如此,但实际上很少有火箭直接将COPV浸于液氧中使用)是浸在低沸点的液氧罐中的,这不是问题。液氧将随着COPV充气的进行而被加热,过热的液氧将蒸发带走这部分额外的热量。然后,地面设备会将另外的液氧注入火箭来弥补这部分的损失。

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联合发射联盟旗下的“半人马座”上面级,它的氦气瓶悬挂于储箱尾部。

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我们来对比一下,图为猎鹰-9火箭的二级液氧储箱,图中液氧液面已经下降了不少,而在二级点火前COPV都是浸泡在满满的液氧中的,这种设计相当少见,甚至可以称得上是SpaceX首创。

但是,追求技术先进性的SpaceX往往不走寻常路。SpaceX使用的是接近三相点的超低温液氧(主页君注:也就是我们常说的“预冷液氧”或“过冷液氧”,猎鹰-9加注的液氧温度比正常火箭所采用的还要低,意图利用过冷液氧的高密度特性,在储箱尺寸不变的前提下贮存更多的液氧推进剂,从而榨干火箭的运力,煤油预冷类似),如此低的温度便不允许COPV的热量进入液氧。热量的释放将引起推进剂温度的上升,而密度和温度有关,更高的温度意味着只能携带更少的推进剂,从而导致火箭运载系数的下降。所以,追求更大运载能力的SpaceX不会采用目前常规的COPV充气方法。

那么氦气是如何充入COPV的呢?固态氧又是怎样产生的?在此之前的我们还不知道SpaceX是如何处理液氧加热问题的。直到昨天,采访中的马斯克提到他们会使用液氦填充COPV,而不是完全充入氦气。这种加注程序能尽可能的保证液氧低温:在COPV注入液氦来吸收加热产生的热量。热量会使液氦沸腾,而不会加热它们外部的液氧。(主页君注:就是说,SpaceX为了防止加压用的氦气加热液氧,影响预冷效果,采用沸点低至-268.9摄氏度的液氦来灌装COPV,这样一来,液氧是不会吸热蒸发了,但是液氧熔点只有-218.4摄氏度,液氦反倒吸收了液氧的热量,导致部分渗入COPV碳纤维缝隙间的预冷液氧变成了固态氧)

只要去查一下表,我们都知道液氦三相点比液氧的更低。显然,SpaceX知道其中的差异,为什么他们的火箭科学家不认为这会有问题?

事实证明,液氦是一种非常奇怪的物质。它的一个特性是具有非常低的比热容。通俗来讲,它只需要很少的热量,便能加热到很高的温度。显然,SpaceX的工程师们认为只要在液氧中留下足够的热量时,液氧便不会凝结成固体。可悲的是,只是大多数时候,他们是正确的。

当接近三相点的液氧浸入COPV纤维时,它发生了极少量的冻结,这是一场灾难。COPV具有5500 psi的压力,纤维被强力地压缩。这时,如果和COPV纤维交织在一起的氧气是液体或是气体,那么它将被挤出。但它不是,它是固态氧。

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COPV剖切开后的横截面,银色的就是铝合金内胆,液氧就是渗入了箭头所指的这种材料缝隙中。

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典型的碳纤维缠绕过程

更糟的是,碳纤维会和液体或固体的氧气反应,很容易爆炸,这一点我们早已知道。而且,这一切只需要一点点机械应力,便能触发。所有这些碳纤维与固态氧,需要的只是一点点(主页君注:根据原文,液态氧也会反应,但由于受压能够挤出,所以不会爆炸,事实上碳纤维复合材料跟液氧的相容性问题从90年代已经很著名了,只不过不是这种形式)。形成了这种组合时,碳和氧会爆炸,随后,会波及到整个COPV。

从初步的调查报告中我们可以得知,爆炸损坏了COPV,大量的氦气冲入二级火箭储箱中,超压引发了整个二级的爆炸。

用马斯克的话来说,这是一场史无前例的事故。是的,在新技术的追求之路上,总会有牺牲。这点小挫折,就当是交给宇宙征途中的一点小学费了。

事故说完了,其实炸就炸了,马斯克现在在复合材料上交学费无论如何也比去火星的时候再交要便宜多了!而且最新的消息是,SpaceX已经进行了事故调查中的重要一步——事故复现。(如果最终事故结论与我们翻译的解析有差异,我们会另行撰文)

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当然了,肯定不是拿一个全新的猎鹰-9二级来做实验,而是类似于图中这种的破坏性试验模拟环境,模拟预冷加注过程中固态氧导致的COPV破裂爆炸。

这样一来,前段时间盛传的 COPV与储箱加注形成声致共振导致COPV破裂的理论只能被扫入故纸堆了。不过好在证明了COPV本身的设计并没有问题,火箭本身的设计并不是导致这次事故的根本原因(这个结论可能稍微武断了一些)。但是奇怪的在于猎鹰-9火箭的一级也是这种类似的加注模式,但是却并没有出现过这种事故,目前也没有证据显示一、二级的COPV在加注流程上存在差异,SpaceX也没有说明两者区别。但是SpaceX认为,我们已经找到了问题,而且找到了问题的解决办法——对加压用氦气的加注流程作出修改,避免发生液氧固化的现象,暂时没有涉及硬件上的改动。

这样一来,SpaceX应该筹备恢复发射了,因为底下的客户已经急得像热锅上的蚂蚁了。。。其中铱星公司更是可以称得上“哭晕在厕所了”,本来年底要有两次发射,共20颗铱星入轨,结果现在连个毛都看不到,库房里的卫星每在地面多呆一天,白花花的银子就会不停流走。此外据《华尔街日报》报道,SpaceX的很可能要因为此次发射痛失大客户Inmarsat PLC的卫星(大名鼎鼎的海事卫星)发射订单,而在之前这家欧洲卫星通信公司曾信誓旦旦地表达过对SpaceX重启卫星发射计划的信心,没办法,毕竟时间不等人。

既然SpaceX没有选择退回前辈们所采用的浸泡冷却氦气瓶的传统模式——钛合金氦气瓶,那么恢复发射看来已经是指日可待了,之所以继续冒险,正因为COPV相对于钛合金气瓶在重量和成本两个方面依旧有着突出的优势。而大家都知道,老马对省钱这件事儿的迷醉甚于毒品。。。

于是乎,目前所有的消息源都指向SpaceX将于12月恢复发射,具体时间和具体任务待定!

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十月末,德州测试场迎来了编号031的新火箭一级,全时长点火测试已经完成,该一级已经运往卡纳维拉尔角的LC-39A发射工位,成为恢复发射的火箭。

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点火测试前的恢复发射用的二级,其实最醒目的是右侧红框中的结构测试箭体,根据外媒消息,现在立在这里的是重型猎鹰火箭的助推器结构测试箭体,芯级测试箭体已经完成测试拉走。

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当然还有更惊人的消息——重型猎鹰火箭首飞箭的左右两个助推器将使用回收后的猎鹰9火箭一级改装而成!(红框中)我真的想说,马斯克,你能再抠门点儿么?起初消息放出来我是不信的,但是现在越来越多的内部消息证实了这个做法。

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二级点火测试画面

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以色列Spacecom公司:Amos-6 卫星制造商IAI说,它将从保险公司收到1.96亿美元,而信威的收购将继续,当然正如我所预言的,估值上肯定要有所变动了

除此之外,对于明年的载人龙任务,为了能够腾出更多精力准备暂定于明年的载人龙发射,SpaceX决定从CRS-11补给任务(下一次任务是CRS-10)开始,使用回收并翻新后的货运龙飞船为国际空间站送去补给。SpaceX官方表示,复用货运龙飞船过程中最难处理的问题就是海水的腐蚀,这也是下一代龙飞船采用陆上反推着陆的原因之一,但无论如何,货运龙的复用也是人类航天史上的一次全新尝试了,同样值得赞许。

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图为海上回收回来的货运龙飞船,底部七扭八歪的喷口是Draco引擎,旁边的大叔是“梅林”(Merlin)系列发动机的缔造者Tom Muller,曾任TRW公司总设计师

说真的,追随前人的脚步进行设计确实能够少走很多弯路,但是老马宁可交着学费,顶着风险,面对着各种航天史上从未出现过的稀奇古怪的事故来不断创新,虽然交学费几乎是板上钉钉的事情,不过我们还是希望他少交点儿比较好。毕竟现在愿意这么做的人真的不多了。

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