spaceX火箭爆炸緣由:注入氮氣與包裹層碳纖維發生化學反應

spaceX火箭爆炸緣由：注入氮氣與包裹層碳纖維發生化學反應

辰光 發表於 2016-11-07 11:03:52

　　距離SpaceX在9月1日發生的爆炸事故已經過去兩個月了，事故調查報告仍未最終出爐，但依隆·馬斯克在近日接受CNBC獨家採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。而有關調查完畢後恢復發射的最新消息，詳見正文後主頁君的日常嘮叨。

　　譯註：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，金屬內膽逐漸膨脹並將固體氧擠壓入包裹在外的碳纖維中，最終兩者發生化學反應引發爆炸。這消除了我們之前有關於設計缺陷的擔心，只需要稍修改加注流程，這樣的悲劇便能避免，看起來12月的復飛越來越近了。

　　到目前為止，對於9月1日的那場離奇事故，我還沒有看到最終調查報告的出臺。但當近日依隆·馬斯克在CNBC對他的採訪中反覆提及幾個詞時，這一下引爆了我的思維。——他說的是液氦和固態氧。這次的重要訪談讓我們能夠了解他們目前的處境是什麼，為什麼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)恢復發射。

　　9月1號的事故擊碎的不僅僅是一次發射，而是火箭復用的理想。

　　已經有一段時間了，我們知道爆炸是由「複合材料纏繞壓力容器」(COPV，Composite Overwrapped Pressure Vessel)引起的(譯註：獵鷹-9火箭的COPV由鋁製內襯和碳纖維外殼組成，內襯的作用只是隔絕容器內外，強度由外面纏繞的碳纖維提供。)。COPV是在高壓下用於保存氣體的罐子。在獵鷹-9火箭中，它用於保存氦氣。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並不是一個新鮮事物，它被用於火箭中已經有幾十年了。COPV具有優秀的力學性能和極輕的結構重量，它主要由纖維組成，因此在某些方面它的性質更趨向於織物而不是金屬。

　　某次發射任務後從天而降的獵鷹9火箭的COPV，底部可以清晰地看到露出來的碳纖維，纖維包裹的內膽採用的則是鋁合金，具體工藝和合金牌號不詳。

　　在這裡我要說的，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採用的接近沸點的液氧。因此，這構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。但是事物並不會簡單的相加，液氧已經冷卻得更冷，但它仍然是液體，這兩原本風馬牛不相及的東西是如何帶來的固態氧的呢?

　　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。我們可以發現，當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，當把COPV填充到獵鷹-9的5500 psi時，產生的熱量將十分驚人。(主頁君註：p是指理想氣體的壓強，V為理想氣體的體積，n表示氣體物質的量，而T則表示理想氣體的熱力學溫度;R為理想氣體常數。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(譯註：原文如此，但實際上很少有火箭直接將COPV浸於液氧中使用)是浸在低沸點的液氧罐中的，這不是問題。液氧將隨著COPV充氣的進行而被加熱，過熱的液氧將蒸髮帶走這部分額外的熱量。然後，地面設備會將另外的液氧注入火箭來彌補這部分的損失。

　　聯合發射聯盟旗下的「半人馬座」上面級，它的氦氣瓶懸掛於儲箱尾部。

　　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，這種設計相當少見，甚至可以稱得上是SpaceX首創。

　　但是，追求技術先進性的SpaceX往往不走尋常路。SpaceX使用的是接近三相點的超低溫液氧(主頁君註：也就是我們常說的「預冷液氧」或「過冷液氧」，獵鷹-9加注的液氧溫度比正常火箭所採用的還要低，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劑，從而榨乾火箭的運力，煤油預冷類似)，如此低的溫度便不允許COPV的熱量進入液氧。熱量的釋放將引起推進劑溫度的上升，而密度和溫度有關，更高的溫度意味著只能攜帶更少的推進劑，從而導致火箭運載係數的下降。所以，追求更大運載能力的SpaceX不會採用目前常規的COPV充氣方法。

　　那麼氦氣是如何充入COPV的呢?固態氧又是怎樣產生的?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，採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。這種加注程序能儘可能的保證液氧低溫：在COPV注入液氦來吸收加熱產生的熱量。熱量會使液氦沸騰，而不會加熱它們外部的液氧。(主頁君註：就是說，SpaceX為了防止加壓用的氦氣加熱液氧，影響預冷效果，採用沸點低至-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，導致部分滲入COPV碳纖維縫隙間的預冷液氧變成了固態氧)

　　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，為什麼他們的火箭科學家不認為這會有問題?

　　事實證明，液氦是一種非常奇怪的物質。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的工程師們認為只要在液氧中留下足夠的熱量時，液氧便不會凝結成固體。可悲的是，只是大多數時候，他們是正確的。

　　當接近三相點的液氧浸入COPV纖維時，它發生了極少量的凍結，這是一場災難。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，那麼它將被擠出。但它不是，它是固態氧。

　　COPV剖切開後的橫截面，銀色的就是鋁合金內膽，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，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力，便能觸發。所有這些碳纖維與固態氧，需要的只是一點點(主頁君註：根據原文，液態氧也會反應，但由於受壓能夠擠出，所以不會爆炸，事實上碳纖維複合材料跟液氧的相容性問題從90年代已經很著名了，只不過不是這種形式)。形成了這種組合時，碳和氧會爆炸，隨後，會波及到整個COPV。

　　從初步的調查報告中我們可以得知，爆炸損壞了COPV，大量的氦氣衝入二級火箭儲箱中，超壓引發了整個二級的爆炸。

　　用馬斯克的話來說，這是一場史無前例的事故。是的，在新技術的追求之路上，總會有犧牲。這點小挫折，就當是交給宇宙徵途中的一點小學費了。

　　事故說完了，其實炸就炸了，馬斯克現在在複合材料上交學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已經進行了事故調查中的重要一步——事故復現。(如果最終事故結論與我們翻譯的解析有差異，我們會另行撰文)

　　當然了，肯定不是拿一個全新的獵鷹-9二級來做實驗，而是類似於圖中這種的破壞性試驗模擬環境，模擬預冷加注過程中固態氧導致的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本身的設計並沒有問題，火箭本身的設計並不是導致這次事故的根本原因(這個結論可能稍微武斷了一些)。但是奇怪的在於獵鷹-9火箭的一級也是這種類似的加注模式，但是卻並沒有出現過這種事故，目前也沒有證據顯示一、二級的COPV在加注流程上存在差異，SpaceX也沒有說明兩者區別。但是SpaceX認為，我們已經找到了問題，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，避免發生液氧固化的現象，暫時沒有涉及硬體上的改動。

　　這樣一來，SpaceX應該籌備恢復發射了，因為底下的客戶已經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射，共20顆銥星入軌，結果現在連個毛都看不到，庫房裡的衛星每在地面多呆一天，白花花的銀子就會不停流走。此外據《華爾街日報》報導，SpaceX的很可能要因為此次發射痛失大客戶Inmarsat PLC的衛星(大名鼎鼎的海事衛星)發射訂單，而在之前這家歐洲衛星通信公司曾信誓旦旦地表達過對SpaceX重啟衛星發射計劃的信心，沒辦法，畢竟時間不等人。

　　既然SpaceX沒有選擇退回前輩們所採用的浸泡冷卻氦氣瓶的傳統模式——鈦合金氦氣瓶，那麼恢復發射看來已經是指日可待了，之所以繼續冒險，正因為COPV相對於鈦合金氣瓶在重量和成本兩個方面依舊有著突出的優勢。而大家都知道，老馬對省錢這件事兒的迷醉甚於毒品。。。

　　於是乎，目前所有的消息源都指向SpaceX將於12月恢復發射，具體時間和具體任務待定!

　　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完成，該一級已經運往卡納維拉爾角的LC-39A發射工位，成為恢復發射的火箭。

　　點火測試前的恢復發射用的二級，其實最醒目的是右側紅框中的結構測試箭體，根據外媒消息，現在立在這裡的是重型獵鷹火箭的助推器結構測試箭體，芯級測試箭體已經完成測試拉走。

　　當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後的獵鷹9火箭一級改裝而成!(紅框中)我真的想說，馬斯克，你能再摳門點兒麼?起初消息放出來我是不信的，但是現在越來越多的內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 衛星製造商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，當然正如我所預言的，估值上肯定要有所變動了

　　除此之外，對於明年的載人龍任務，為了能夠騰出更多精力準備暫定於明年的載人龍發射，SpaceX決定從CRS-11補給任務(下一次任務是CRS-10)開始，使用回收並翻新後的貨運龍飛船為國際空間站送去補給。SpaceX官方表示，復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採用陸上反推著陸的原因之一，但無論如何，貨運龍的復用也是人類航天史上的一次全新嘗試了，同樣值得讚許。

　　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)系列發動機的締造者Tom Muller，曾任TRW公司總設計師

　　說真的，追隨前人的腳步進行設計確實能夠少走很多彎路，但是老馬寧可交著學費，頂著風險，面對著各種航天史上從未出現過的稀奇古怪的事故來不斷創新，雖然交學費幾乎是板上釘釘的事情，不過我們還是希望他少交點兒比較好。畢竟現在願意這麼做的人真的不多了。

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