SpaceX火箭爆炸事故调查报告
我知道今天这个文章发出来保证会因为标题党而收到一摞子板砖，因为本文讲的是2015年猎鹰9火箭执行CRS-7任务空中解体爆炸事故的调查结果，不过别以为过了整整一年的事故没什么可讲的，其实这里面有很多故事，而且这些故事对于9月1日刚刚发生的Amos-6爆炸事故有不小的启发意义，如果你着急知道猎鹰9的未来，不如先回头去看看一年前猎鹰9的过去。另外昨天中秋之夜天宫2号空间实验室的成功发射十分值得庆贺，可以说我们的发射直播越来越好看了，赏花赏月赏天宫，也算是一种享受。
2015年6月28日，SpaceX发射猎鹰9的1.1版火箭和货运龙飞船，执行第7次国际空间站无人货运任务（编号CRS-7），火箭在升空139秒后，突然放出大量白色烟雾并失控解体
由于这两天在美国和巴黎分别召开了两场航天类会议，SpaceX的相关人员出席会议并做了主题演讲，尤其是做为首席运营官的Gwynne Shotwell（这名字起得真是天生适合干航天，shot-well）的一些发言，其中有很多你们想知道的消息，在正文开始前插播一下：
如果情况乐观，SpaceX将在今年11月起恢复发射猎鹰9火箭，这和笔者上篇文章的预测基本一致，所谓情况乐观应该就是排除火箭本身的问题。
事故的具体起因目前仍不能确定，而且究竟是箭体还是发射台问题也仍不能确定。（说了和没说一样）SpaceX现在有一个20人的专职小组正在调查事故，比想象中少是吧。
Shotwell表示首次恢复发射的很可能安排在肯尼迪航天中心的LC-39A发射台，但是Shotwell表示也可能从笔者猜测的范登堡SLC-4E发射台开始，还没最终决定。
之所以笔者之前猜复飞首次复飞的是第二代铱星，因为苦逼铱星已经数次推迟，虽然现在尚未正式确认下周发射的推迟，但基本板上钉钉；铱星方面表示对SpaceX说11月能恢复发射感到很受鼓舞，但还是要看事故的根本原因；基本上等于说火箭能行他们就能行
重型猎鹰的首次发射时间目前定为2017年1季度，发射台很可能是范登堡的SLC-4E，之前绝大部分人都认为是LC-39A，感觉两座发射台拿错剧本了。因为按照时间顺序，LC-39A的首次发射普遍认为是首次采用二手火箭的SES-10任务，拿一枚复用二手火箭来恢复发射显然有些疯狂，当然老马从来就没按套路出牌过，CRS-7复飞时不仅仅没有保守的采用旧版的猎鹰9 1.1版火箭，而是采用大刀阔斧改进后的猎鹰9 FT火箭（全推力版）。
发生爆炸的LC-40发射台的受损程度为“中等”，修复工作可能比想象中顺利一些。
笔者特别喜欢SpaceNews的这张封面，一种沧桑感扑面而来
在德克萨斯进行地狱点火测试的编号024的芯级已经完成了整整7次全时长全推力点火，更恐怖的是——这个过程中火箭未经任何翻修（原文：refurbishment）。
重型猎鹰首次发射同时回收两枚助推级和芯级，但是海上还是陆上回收取决于载荷，也就是说，重型猎鹰的首飞载荷还没最后定。
重型猎鹰的芯级无引擎静力试验箭体被发现在德克萨斯的塔架上开展测试，可以说重型猎鹰的研发确实遇到了一些困难，但是SpaceX正在想办法克服。
右侧的就是被发现的重型猎鹰芯级静力试验台架，左侧嘛，你要是不知道的话这粉丝可是不合格啊
商业载人航天上，SpaceX的载人航天主管Benji Reed在昨天的主题演讲中提到，载人龙已经完成了一系列工作，包括降落伞（新的四伞空投试验）、密封舱认证（应对NASA提出的的漏水问题）以及一些设计尾项。对于第一次无人Demo发射试验，Reed表示”在我们准备好的时候就会发射的“（原文：“We’ll fly when we’re ready”）。言外之意，明年5月的节点很可能要保不住了，而众所周知明年SpaceX的最重头工作就是载人龙了，真不是个好消息。
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为了应对NASA全新提出的苛刻飞船伞降要求，SpaceX无奈在上个月重新做了一遍载人龙的四伞空投试验
之所以要写这么一篇文章，是因为Amos-6的火箭爆炸已经过去了两周多，事故调查过程扑朔迷离，事故起因已经从严肃的航天板块下放到了娱乐版块，全民脑洞模式开启，热闹程度堪比宝强离婚。我所能见到的几个脑洞比较大的媒体猜测版本有：
为了防止人类迈出地球，外星人派出UFO击毁火箭，还有图有真相——话说《三体》看多了？
作为邻居的“友商”看不得SpaceX日子好过，做手脚引发爆炸——话说“友商”还真没这闲工夫，人家发射日程忙着呢。
为阻止中国收购以色列卫星公司，有人狙击了火箭——阴谋论永远都有市场，不止是登月和911。
这些毫无根据的文章之所以能在各路媒体见诸报端，一方面是现在媒体为了眼球也不太顾及严谨性，总想搞个“大新闻”；另一方面也是事故调查确实陷入了困境之中，处于毫无头绪的阶段。卧草党拍摄的静态点火视频中，爆炸前的两段细微声响已经成为了找寻事故真相的救命稻草。
这种状况不由得让我们联想起了文首提到的2015年CRS-7事故调查，因为当年事故发生在发射点火后100多秒，火箭高度和速度都很高，解体也是首先发生在尚未点火的二级火箭，所以在理论上的调查难度远大于发射在发射台的这次事故。调查过程也是一开始陷入了困境之中，毫无头绪，当然最后结果是采用了一系列手段，最终还原了事故真相。
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CRS-7发射任务的视频全程，这次发射正好安排生在马斯克44岁生日当天，因此被称之为“最糟糕的生日礼物”
这次事故因为也是发生在尚未点火的火箭二级，而且是高空飞行段，光学跟踪未能明显的发现一些显著问题，而且最关键的是事故的发生极为迅速，几乎没有任何预兆。当时坊间猜测的各种事故原因也是五花八门，光听起来靠谱的就有这几种：
二级火箭错误的提前点火，导致bong。
二级共底储箱的接缝处超压破裂，导致了火箭解体。
龙飞船非加压货舱中的IDA-1通用对接口因为固定不良而跌落，砸漏了火箭二级。
说句题外话，幸运的是，货运龙飞船在火箭泄露和解体之后依旧幸存，甚至能够继续通信联系，但是糟糕的是，当时的龙飞船没有这种情况下的紧急开伞程序，只能任由货运龙飞船高速坠落海面摔成碎片。
这就是当年嫌疑最大的IDA-1，因为对SpaceX货运能力存疑，NASA一直安排的都是次要载荷，这本来算是第一次NASA为安排重要货物，结果就给打飞了，好在今年的CRS-9任务中携带的IDA-2对接口弥补了这次事故
红框处为货运龙飞船的非加压货舱（没有气密结构），当时IDA-1就安装在这里，下面紧挨着的就是火箭二级的储箱顶部
经过一个月的调查，在事故后一个月的电话会议上，SpaceX创始人马斯克宣布了调查结果：
在二级火箭的液氧箱内部，因固定氦气罐的支架折断，氦气罐在巨大的浮力下脱离原位置并碰撞破损，泄露出的高压氦气进入液氧箱使其压力增大并最终导致我们所看到的那一幕。从最初发现异常到所有遥测信号消失之间，只有短短的0.893秒。
图中这些黑色的小球就是浸泡在二级火箭液氧中的氦气罐子，实际上这些罐子是下图的胶囊型的，再往左的半球形结构是共底储箱的间隔板，薄薄的一层蜂窝结构把只有零下十几度的预冷煤油和零下100多度的液氧分割开来
安排在火箭液氧储箱内的视角拍摄到的画面，图中箭头所指就是失效的支架所在，下面就是淡蓝色的已被消耗了大半的液氧，但在CRS-7事故发生时，二级尚未点火，液氧储箱满载，图中这个罐子是支架强行拽在“水”面下的
共底储箱，就是用一层隔板代替原本的两个燃料储箱端盖，既可以减少一层隔板干重，又可以缩短箭体长度，是一种典型的减重手段；猎鹰9之所以有着逆天的干质比，采用共底储箱算是原因之一；而今年这次事故中有人怀疑是这个隔板与储箱壁的接缝失效作怪，因为起爆点就在这里
众所周知，火箭内燃料箱压力过高，最常见的原因有两种。一是某物体起火，二就是氦气罐泄露。前者就是阿波罗13号飞船在奔月途中侧面被炸掉一大块的原因。
而至于后者，燃料箱中的高压氦气罐，其作用是当燃料被消耗时，缓慢释放出氦气充满燃料箱中空出来的区域，让其内部保持一定的压强使得燃料能持续流向发动机。
液氧泡气罐的设计其实应用比较广泛，早在土星五号火箭中就有应用，而且共底储箱也是土星五号二级的减重手段，可以说隐隐的SpaceX在向阿波罗计划的那些经典技术致敬也是合理的，但是SpaceX比较有特色的在于其氦气罐采用的是复合材料，而且很可能就是日本东丽公司的产品（实物图详见上期文章）。其实SpaceX应用复材由来已久，整流罩和货运龙飞船的太阳能电池板护盖等均为复合材料制造，而BFR这种载人火星纸面火箭的制造还遥遥无期，是否采用复材储箱尚未可知，炒作东丽的合同无非就是要搞一个大新闻而已。
之所以使用氦气，是因为它属于惰性气体，这种气体不会与燃料、舱壁或者任何别的零件发生化学反应。然而由于高压氦气的密度远低于液氧，浸没在液氧中的氦气罐在火箭加速时会受到很大的浮力，就像一个强行塞入水下的气球一样。而上面提到的支架的作用，就是把这个氦气气球固定在“水”下。
同类支架尺寸图，非SpaceX所用的，就这么个供应商提供的不锈钢支架，导致了事故，当然这里也涉及采购和质量保证的问题，但是这里就不展开了
SpaceX采购的支架被设计为可以承受10000磅（44.48kN）的力，留足了两倍的设计裕量，但是而在这次发射中仅仅2000磅（8.89kN）就导致其断裂。仅此一个小小的失败造成了巨大的代价。
可是，火箭都炸成渣了，录像也只拍摄到了外部的情况，SpaceX是怎么知道火箭内部具体发生了什么的呢？下面才是本次调查的惊艳之处：
由于巨大的火箭在强劲的发动机的推动下并不是铁板一块，为了跟踪检测火箭不同部位受到的加速度，猎鹰9号上分布安装了许多加速计(Accelerometer，就是你手机里检测微信摇一摇的零件)。然而这些加速计做的实在是太精密了，加上采样频率又非常高，以至于把这些加速度数据连起来居然可以得到声波的震动。再综合分析不同位置加速计给出的数据，甚至可以看出声波是如何在火箭内部传播的！这些声音信号中就包括了液氧箱突然增压前的金属声，SpaceX通过三角测量定位出声音来原，并依此判断这极有可能是支架折断，氦气罐上浮脱离并与液氧箱内壁(也可能是挡在中间的别的东西)发生碰撞的声音。
事后SpaceX对那批支架进行了大量测试，发现确实有一些次品在受到远低于设计上限的外力时便提早失效。从一堆碎片中如此细腻地还原出发射失败前0.893秒内发生的一切，至此，整个发射事故的来龙去脉就此水落石出了，支架失效—氦气罐上浮—碰撞破裂—储箱压力异常升高—储箱破裂—火箭解体。
通常来讲，一起航天事故要调查清楚，必不可少或者说很关键的一步就是事故的复现，根据事故原因的分析，尽可能的模仿事故发生当时的情况，验证所推测事故原因是否会导致最终的发射事故。SpaceX在查明事故原因后，很快就做出了事故复现，但是这个复现过程并没有视频放出，笔者在这里举两个其它著名事故的复现记录：
图为哥伦比亚号航天飞机2004年返回解体事故的复现录像，复现的是起飞时脱落的轻质隔热瓦高速撞击航天飞机机翼，复现结果表明，不起眼的隔热瓦撞出了一个保龄球大小的漏洞，导致再入大气层时高温气体灌入，最终航天飞机解体
图为我国长征二号捆绑型运载火箭1992年发射时发生紧急关机，这起事故仅仅是因为重0.15毫克的铝制多余物短路了程序配电器中的电路，事故复现了铝屑在短路的高电流下爆燃并发出高温射流，错误导通了紧邻的关机电路，导致了火箭的异常关机
除此之外，SpaceX采取了一系列措施消除事故隐患，这是理所应当的，但是在此基础上继续疯狂挖潜改进火箭，这绝对是航天史上都不多见的。通常为了稳妥起见，事故后的恢复发射除了可靠性上的改进，一般不会安排火箭的性能改进和具有风险的挖潜操作，换用预冷推进剂这种玩火的改进更是不多见。
储箱内的氦气储罐支架改为由SpaceX自行生产，这基本上是老马的惯用套路，你搞不好就我来，然后你给我滚蛋。
继续疯狂的继续改进猎鹰9火箭，继续吃掉裕量，继续加长，加运力，这个不多说了。
为货运龙飞船添加了紧急情况下的自动开伞程序，如果再碰到火箭半空解体的情况，飞船可以自动开伞，尽可能的拯救加压舱的货物。当然，这个程序还是永远用不上的最好。
原定当年秋季恢复发射，然而实际上直到当年的圣诞节后才正式恢复发射，所以说这次事故放出的恢复发射时间，各位也请听一半信一半。
由于货运龙飞船堪称国际空间站货运飞船的骨干，因此事故出现后对国际空间站造成了一定影响，NASA针对事故影响和后续计划，出台了一份详细的调查报告。
有兴趣的可以区NASA官方网站下载，干货不少，但是并不是讲事故本身的，而是考虑这次事故导致的后续货运任务推迟对国际空间站未来可持续运行的影响。其实这对我国的2020空间站有一定的借鉴意义，毕竟国际空间站当时有5种货运飞船，一年内相继折损三种，差点儿闹出了断供危机，而我们短期内只有一款天舟。
除了报告之外，今年6月举行的参议院听证会上，当参议员Nelson向NASA载人探索部（也就是负责SLS和Orion的部门）的副局长Bill Gerstenmaier询问NASA从OA和SpX的发射事故中学到了什么（本来想听的是学到了什么反面教材），没想到后者的回答却是NASA对私人航天公司解决问题的效率感到震惊，SpX在事故仅仅数天后就找到了故障原因并在Mcgregor进行了事故复现，换作NASA这项工作通常需要半年时间。如果说NASA从事故中学到了什么，那就是如果辅以正确的激励手段和合同架构，私人公司可以以更高的效率来完成一件工作。
举例来说，前文所提及的哥伦比亚号返回事故之后，在长达两年半的事故调查和改进之后，直到2005年7月，才由发现号（Discovery）航天飞机恢复飞行。而SpaceX仅仅用了个6个月就恢复了发射，当然这次又出事儿了，这是后话。但是在如今竞争激烈的商业发射市场，SpaceX的任何一次跌倒都伴随着虎视眈眈对手的步步紧逼。
俄罗斯人的质子火箭祭出了全新的质子改系列火箭，与各种技术状态的猎鹰9针锋相对，当然也包括阿里安5
贝索斯也没闲着，推出了自己的New Glenn火箭，主打VTVL复用，估计几年后就要和重型猎鹰正面开撕了
不止如此，阿丽亚娜火箭也已经开始夺走SpaceX的意向订单，这也是SpaceX不能如NASA一样拖沓和Shotwell放话11月就要恢复发射的原因所在——虎狼环伺，时不我待！竞争就是这么残酷，只有良性的竞争才能促进行业的发展，这就是商业航天的精髓。这才是SpaceX必需快速爬起来的原因。
反观如今的NASA，早已经不是阿波罗时期的NASA，各种项目虽然四面开花，没有重点，反复无常，很多项目立项了又砍，砍了又立项，进度拖沓延期严重，超值现象也是十分惊人。尤其以韦伯望远镜和今年年初无奈推迟的洞察号火星探测器为典型，当然还有悬而未决的小行星重定向；还有牛皮吹得当当响，但是未来任务却依旧悬而未决的SLS；最后的最后还有仅仅停留在纸面上的载人火星登陆计划。
笔者想说的是，NASA应该合理可行的进一步褪去研发主体的地位，尽可能发挥有形的手的地位；促进航天企业的自由竞争，让无形的手更多的发挥作用。当然，这都是我瞎操心而已。
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