對載人「龍」飛船測試爆炸事故原因的初步分析
SpaceX
根據SpaceX公司7月15日發布的新聞,載人「龍」飛船4月20日在測試過程中被毀的事故原因很可能是「超級天龍座」推進系統氧化劑混入氦氣加壓管造成的。
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事故回訪
4月20日,曾執行首次不載人試飛任務的「龍」飛船在卡納維拉爾角空軍基地SpaceX公司測試設施進行逃逸系統的測試。當時,「龍」飛船的「天龍座」發動機(用于飛船的軌道機動與調姿)已經完成點火測試,即將進行「超級天龍座」發動機(用于飛船的逃逸)的點火測試。就在「超級天龍座」發動機點火前100毫秒,其中一台發動機突然發生爆炸,隨即導致整個「龍」飛船損壞,並造成SpaceX公司相關地面設施的損壞,萬幸的是沒有造成任何人員傷亡。
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事故調查
事故發生後,SpaceX公司與NASA組成的聯合調查組對事故原因進行分析與整改。7月15日,SpaceX公司公布調查結果:「超級天龍座」發動機使用高壓氦氣對四氧化二氮(氧化劑)與火箭燃料進行加壓,但在地面進行準備工作中,部分氧化劑穿過鈦金屬止回閥門(只允許氣體或液體單向流動)泄漏到氦氣管道中;這樣當高壓氦氣注入氦氣管道,四氧化二氮固化被加速到高速狀態後直接撞擊止回閥門引發爆炸繼而導致整個飛船燒毀。SpaceX公司表示,目前已梳理完成爆炸潛在原因「故障樹」80%的工作,雖然還有20%的工作,但事故原因基本可以確定。負責建造與飛行可靠性的副總裁漢斯·科尼格斯曼表示,這種止回閥通過一個彈簧進行開啟或關閉,但在低壓條件下,彈簧有時會有點黏,可能會導致閥門的密封性能不佳。調查人員在爆炸後回收的止回閥內發現了燒傷,調查的初步結果與視頻和遙測數據也基本相符;在NASA的協助下,SpaceX已經在麥格雷戈試驗場進行試驗,證實了上述情形的存在,「當壓力很大、溫度很高的時候,高速氧化劑撞擊到鈦材質止回閥,就會發生非常劇烈的反應。」
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整改措施
由於事故原因在於止回閥失去效用導致四氧化二氮泄漏到氦氣加壓管中,因此SpaceX公司將使用一次性的爆裂金屬膜代替原先的止回閥。一次性爆裂金屬膜在沒有壓力狀態下將保持密封狀態,一旦達到一定壓力時,該膜會直接破裂,允許高壓氦氣通過。用爆裂金屬膜替代止回閥等工作可與「龍」飛船的降落傘測試同時進行,但需要在「龍」飛船的高空逃逸測試前完成。NASA商業載人運輸計劃經理利德斯稱這起事故對NASA和SpaceX公司而言都是一份「大禮」,因為它讓這一缺陷在地面試驗中暴露了出來。她說:「我們將會繼續學習,以幫助我們飛得更加安全。」
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對此次事故的分析
一是「龍」飛船的恢復飛行不容樂觀。儘管事故原因已經查明並也提出了整改措施,但採用一次性爆裂金屬膜是否有效還有待證明。科尼格斯曼和利德斯都不願承諾「龍」飛船高空逃逸及載人試飛任務的具體時間,據估計,首次載人飛行任務很可能要從夏季末推遲到今年年底。科尼格斯曼稱,年底恢復飛行並非不可能,但它也變得越來越困難。而且此次事故由於「超級天龍座」發動機引發的,那麼說明這種逃逸設計也是存在風險的。雖然NASA認可此次事故調查與整改措施,但仍可能引發公眾對「超級天龍座」發動機的可靠性及這種逃逸設計安全性的擔憂。
二是此次爆炸與鈦金屬材質的關係尚未確定。由於此次事故是因為氧化劑高速撞擊鈦金屬材質的止回閥引發的,而SpaceX公司則承認此前沒有料到鈦會在富氧環境中燃燒。幾十年來,鈦廣泛應用於航天工業,被普遍認為是一種安全的材料,而此次事故是否會對未來的航天器設計產生影響目前也無法確定。有觀點認為,在高速飛行的氧化劑撞擊下,即使是其他金屬材質同樣會導致燃燒。
三是再次暴露商業航天公司在成本與質量平衡方面存在偏差。此次事故的關鍵是氧化劑四氧化二氮泄漏到氦氣管中,但是如何泄漏的目前的還不清楚,有可能在地面加註過程中操作不當導致氧化劑泄漏;更大可能是止回閥缺陷導致的泄漏。如果是止回閥缺陷,則可能是該零件的質量問題或是裝配過程中失誤。考慮到2015年「獵鷹」9火箭發射時發生爆炸事故的原因是因為外包的氦氣瓶支架有質量問題,此次止回閥缺陷同樣可能因為外包的產品質量問題。這表明商業航天公司為降低成本,大量採用商業產品固然可以降低成本,但同樣也埋下了事故的隱患。
來源 :SpaceX網站/圖片來自互聯網
軍事科學院軍事科學信息研究中心 廖小剛
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