SpaceX公司是以致力于低成本、高可靠的商业发射为目标的，其无论是在发动机的选择上，还是对于使用超轻的铝锂合金来减轻结构重量以使运载能力最大化上都无不体现着这样的一种追求！尤其在笔者看来，即便是在背负着人类火箭首次创新之誉下的所谓芯级可控回收重复利用上或多或少也都反衬着SpaceX对于技术商业化炒作的元素！
但有一项技术，一项由于一次空中解体而为世界所广泛关注和了解的技术，一项从国内外行业内人士普遍认为与低成本关系不大、甚至严重背离的技术，确实也让笔者感到有些疑惑、不解!
本文就从2015年那一次令世人惊愕，也让SpaceX错愕的失利说起！
一、关于此次失败的披露具体原因
2015年6月28日，由SpaceX发射执行国际空间站补给任务的猎鹰9号火箭在升空139秒后，突然放出大量白色烟雾，随后失控解体，根据遥测数据和现象，初步判断是二级火箭的液氧箱出现了异常超压而破损。
2015年7月21日，美国太空探索技术公司SpaceX的联合创始人兼CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）接受访谈，谈及了于6月28日发生的猎鹰9号火箭执行CRS-7任务发射升空后爆炸解体的事件。Musk表示他们基本确认了导致此次发射任务失败的原因为贮箱内氦气容器支撑件断裂所致，当然也不排除其他可能原因。据团队的目前的调查及初步判断可仍定位为CRS-7任务在第二阶段时，在3.2g过载下形成的浮力载荷下时有一个COPV氦气瓶发生支撑件断裂的故障，在加压阶段氦气瓶泄露导致大型爆炸。
显然，根据上述描述来看，在二级火箭的液氧箱内部，由于固定氦气瓶的支架意外折断，导致氦气瓶在巨大的浮力下脱离原位置而上浮，并与贮箱顶部发生碰撞导致破损，而泄漏出的高压氦气进入液氧箱使其压力增大并最终导致所看到的那一幕。据此，网上有如下较为形象的图像描述：
此后，SpaceX对此的进一步阐述是:“猎鹰-9”火箭采用的支杆长约60厘米，厚2.5厘米，由外部供应商供货。按设计，该支杆可承受10000磅力（约44.48kN），是预估负载的3倍，但事故发生时支杆承受的压力仅有2000磅力（约8.89kN），为额定值的五分之一。SpaceX称，“猎鹰”系列火箭上所采用的支杆已经使用过数百件，还从未发生过此类问题，即使地面试验也没有发现任何问题。
由此看来故障本身是由于固定氦气瓶的支杆产品的性能质量所引发! 如果撇去关于故障本身的描述，还可以得出如下信息:
1）高压气瓶泡在液氧之中；
2）高压气瓶采用的是COPV气瓶，即复合材料气瓶；
3）气瓶中存放的是氦气；
4）气瓶的容积不小，可以推出V不小于230L！
二、泡在液氧中的气瓶，为什么？
液氧，-183℃，超低温液体！将气瓶置入其中，还是高压，其难度、风险，可想而知！到底是什么需要？又是出于什么样的考虑而使得SpaceX愿意选择？
在2012年，期刊《火箭推进》4月版中，有一篇为上月成功首飞的长征七号运载火箭范瑞祥总师撰写题名《新一代运载火箭增压技术研究》的文章。文章就详细描述了关于气瓶处于常温状态的高压氦气增压技术！事实上，SpaceX放在液氧中的氦气瓶也就是给火箭发动机进行增压用的！只不过气瓶放在了低温环境中，其最终用途完全一样！为什么发动机需要增压？
当前大推力液体火箭发动机基本都是泵压式发动机，即通过泵来输送推进剂以实现燃烧的组织！而泵的型式基本都是离心式，依靠高速旋转的叶片来提升流体压头！由于推进剂输送流量大，且高速离心旋转均会导致泵入口处流体压力急剧下降，一旦低于了流体温度所对应的饱和蒸汽压，流体就会如同沸腾的开水一样大量汽化，汽化不仅使发动机完全偏离状态，且对涡轮泵叶片形成高频的脉动冲击，严重时导致破坏，这种现象在泵行业内称为汽蚀！为了解决这个问题，就需要提高泵入口处的压力，常用的方法就是对贮箱进行增压！
离心泵汽蚀
从目前普遍采用的增压方式来看，主要有自生增压、燃气降温增压和惰性气体增压。自生增压采用火箭自身所携带推进剂，通过发动机上加温器加温并引入贮箱进行增压；燃气增压采用发动机工作燃气并经过降温引入贮箱进行增压；惰性气体就是使用有别于火箭推进剂的其他惰性气体进行增压，可以加温也可以不加温，主要根据需要确定！
由上表可知，三种方式各有所长，也有所短，具体选择需要根据不同火箭的不同需求来确定！SpaceX的Falcon9火箭二级使用Merilin发动机，推进剂为液氧煤油。由于燃气中含大量水，因此对于液氧箱而言，主要就是在自生增压和惰性气体增压之间进行选择！显然，SpaceX经过评估并没有选择被认为组成简单的液氧加温汽化的自生增压，而最终选择了使用氦气的惰性气体增压，但为什么需要将其泡在液氧中呢?
其实很简单，氦气是一种惰性气体，分子量低，为轻质气体，其液化温度在-269K左右，也就是对于液氧，甚至液氢，它都是以气态存在，对于液体火箭而言，也常称其为不可冷凝的气体！但这种惰性气体增压的最大问题在于，存放氦气需要使用额外气瓶！在氦气需求量一定的情况下，出于对于运载能力的追求，往往也需要尽最大可能去减少气瓶数量以控制重量！什么途径？两条可以实现，其一，降低温度；其二，加大压力！下表给出了不同压力和温度下的氦气密度！不难看出，温度降低和增加压力均能较大幅度提升氦气密度！而随着氦气密度的增加，需要的氦气瓶数量就相应减少了！
三、SpaceX，难道这又是你的一枝独秀？
历史没有给作为后起之秀的SpaceX这样的机会，其已然成为不了惰性气体增压方式的首创者，因为这项技术甚至在火箭研制的初期就已经为科学家们所使用!甚至是技术本身的难度上也未能有多大的机会！即便是将气瓶浸泡在液氧中，最早也都可以追溯到上世纪六十年代！从难度上就更不用说了，因为早有将气瓶置于更低温度的液氢中的应用!
早在上世纪六十年代，美国登月火箭土星V，其S-IC级使用F-1液氧煤油发动机，其煤油箱采用了浸泡于液氧中的气瓶增压方式；同时，其S-IVB氢氧级，氧贮箱使用了浸泡于液氢中的气瓶增压方式！
在美国之前公布的关于Ares I火箭使用的J2-X发动机的上面级系统设计中，其采用了浸泡于液氢中的氦气来为氧箱进行增压，显然该项技术实质上也传承自土星V火箭。此外，资料显示实际上，在美国的半人马座的上面级中也应用了该项技术！
美国Ares1火箭上面级
俄罗斯联盟2-1B上面级使用RD-0124高压补燃液氧煤油发发动机，俄罗斯新一代Angara火箭共用芯级采用RD-191高压补燃液氧煤油发动机，其液氧箱和煤油箱均使用浸泡于液氧箱箱底的冷氦气瓶进行增压！实际上，资料显示，包括使用同类型高压补燃液氧煤油发动机RD-171、RD-120的乌克兰天顶号火箭，使用RD-170的俄罗斯能源号火箭，均使用了将气瓶置于液氧中的冷氦增压方式。而同样使用该类型发动机RD-180的美国AtlasV火箭使用了贮存于复合材料气瓶的常温氦气（复合材料气瓶未置于液氧中！）。
除了上述美国和俄罗斯火箭之外，我国的CZ-3A系列火箭三子级火箭和日本的HIIA/B火箭的上面氢氧级火箭均使用了贮存于液氢中的冷氦气瓶来为液氧箱进行增压。除此之外，装备有火神氢氧发动机的Ariane V火箭一子级甚至使用了液态氦来进行增压！液态氦温度达到了-269K，这对于贮存用的气瓶有很高的要求！而资料显示，我国新一代运载火箭中的液氧煤油模块也大量使用了常温氦气增压的方案！
显然，在关于氦气增压的选择上，世界各国表现出了一致的偏好! 但在具体应用上，各显其能，各展所长！但SpaceX在这条道路上似乎也并不沉寂于直接拿来，而是再辟蹊径！虽然都是浸泡在液氧中，但SpaceX却选择的是有别于传统钛合金气瓶的复合材料气瓶！
四、SpaceX，这次真的和低成本没关？
从关于国内外主要运载火箭液氧箱的增压技术研究来看，在可用的自生增压和氦气增压的选择上，两者皆有所用，但似乎氦气增压更受青睐一些！尤其是在高压补燃的液氧煤油发动机、上面级液氧模块中！
上面级模块中应用较多的问题还是比较好理解，因为上面级往往需要多次起动，使用自生增压会导致在起动之间的滑行段可能存在较大的冷凝，由此会导致较大的压力下降! 此外，通过将氦气瓶置于低温的液氧或者液氢中，大大提高了氦气贮存密度，减少气瓶数量，综合作用下用于增压的系统重量甚至显著低于自生增压！更不用说具有灵活的适应能力，以及可根据需要设置的不同程度的冗余设计可以大幅提高系统可靠性！毕竟，高温、高速流动的氧化性强的纯氧气对于金属管路而言，从安全性上来讲，也算不上是什么特别好的选择！
那么，为什么国外高压补燃的液氧煤油发动机都选择了使用冷氦或者常温氦增压技术，而没有尝试很多人都认为系统上更为简单的自生增压方案？其实，对于从事液体火箭动力设计的科技人员而言这也算不上什么太难的问题！答案就是，风险大！有可靠性上的问题！关于这一点，还需要从这一类火箭发动机的基本原理来说起！
液氧煤油高压补燃RD-170发动机系统原理图
上图给出的是世界上推力最大液体火箭发动机——俄罗斯RD-170发动机的。系统原理图。图中，浅蓝色部分为液氧路，浅黄色部分为煤油路，红色部分为燃气路或者高温气体路。为了降低主涡轮泵的入口压力需求，在煤油路和液氧路入口均设置了一个预压泵，两个预压泵的最大差别在于，煤油预压泵采用主，泵后的高压液态煤油来驱动，而液氧预压泵则使用了抽取自预燃室的高温燃气（温度在650K上下，也就是380℃左右）来驱动！而预燃室的燃气是由液氧和煤油燃烧而成，根据资料显示，其液氧和煤油的质量混合比约在55左右！使用互联网上爱好者提供网址http://www.propulsion-analysis.com/下的关于液体火箭发动机热力计算程序RPA，选择了液氧和RP-1航天煤油，在预燃室压力为50MPa下，对不同混合比下的燃气成分含量进行了简单计算，结果见下表！
从中可以看出，氧气质量成分约在92%，剩余约8%为二氧化碳和水蒸汽。预计其抽取用于氧预压泵的流量与总流量之比为1.8%，按照资料提供的发动机混合比2.63以及总流量2392.5kg/s来估算，主流液氧为1733.41kg/s，按预燃室混合比55，则进入预燃室的没有质量为31.52kg/s。因为主流液氧全部进入预燃室于煤油进行燃烧，因此预燃室总流量为1764.93kg/s，则预燃室内燃气中8%的二氧化碳和水总质量为141.2kg/s，抽取量按照1.8%考虑，则实际抽取31.77kg/s流量燃气，其中含二氧化碳和水2.54kg/s，由于用作预压泵的燃气并没有外排，而是直接再次融入液氧，因此这部分二氧化碳和水也进入液氧中，其在主流液氧中的质量含量为0.15%，增压时需要汽化为气体，近似1个大气压下分压为150Pa左右！如果和空气中水的饱和蒸汽进行类比，相当于露点为-16℃！！！对于低温系统而言，这个露点显然太高了！从另外一个角度，如RD-171发动机这样的推力以及高的泵入口压力要求，预计其若采用自生增压，其流量不会低于10kg/s，也就是每秒会往贮箱中带入15g左右的水和二氧化碳，如果工作150s，则总计带入2250kg！！！如果低温下一旦凝结，对于贮箱阀门装置、发动机的工作，甚至液位获取等都会带来不小风险！事实上，对于水和二氧化碳这种在低温下凝结的物质，本身也是低温系统设计所极力避免的！
显然，这种液氧中含杂质的问题，使得对使用这类发动机的火箭采用自生增压方案不可避免就存在先天性的缺陷! 当然，和运载火箭设计中所面临的其余众多风险考虑一样，有风险，并不一定意味着100%发生，但确实存在一定概率!事实上，从另外一方面来讲，高压补燃发动机最大的特点就是高压，一般而言，如果采用液氧自生增压，则取氧口位置应设在液氧泵后，而此处的压力通常超过40MPa，甚至接近或超过50MPa（还记得就是把黄浦江的水抽到青藏高原的能力？呵呵!）！而煤油本就不是什么纯净物，所以液氧煤油发动机的振动本来就大，在如此压力高的位置取液氧本身也存在一定的风险！此外，因为氧气的分子量大，在同等能量输入下，其增压能力远逊色于氦气。分析来看，同等增压要求下，氦气需求量仅为氧气需求量的不到1/7，随着火箭规模的增加，这种差别更为显著！
于是，在并不一定是非用不可，且并不存在显著优势的情况下，面对反而更为可靠，甚至性能、使用便捷性以及灵活性上更优的方案，那又何乐而不为呢？所以，这些大推力的高压补燃液氧煤油发动机氧箱并不意外的大都采用了氦增压技术！或者冷氦，或者常温氦！
当然，对于在那些并不存在这种杂质带来可靠性问题的系统上，自生增压技术因为其系统组成的简洁性还是值得被关注和选择的！事实上，液氧箱的自生增压方案，也早有应用历史！上世纪美国登月火箭土星V火箭一子级液氧箱就使用了自生增压，日本的HII火箭一子级氧箱最初也是用了冷氦增压技术，在改进为HIIA火箭时即简化为自生增压技术！美国的Delta IV火箭一子级、航天飞机也都采用了自生增压方案！
从笔者的观点来看，对于液氧箱增压方案是氦增压呢，还是自生增压，并不存在谁更先进、谁代表方向的问题! 而只有谁更适合的问题！其间的标尺，就在于性能与可靠性的权衡，风险管控以及后果可承受力之间的比较！
笔者没有见过Falcon9所用Merlin发动机的系统原理图，但知道其采用的燃气发生器循环方式，且推力也是在算不上大！再综合美国F-1发动机似乎也没有预压泵的设置情况，初步判断Merlin发动机并不存在预压泵，也就应该没有燃气杂质问题了！这种情况下，一般的判断是，自生增压结构简单，成本低！氦增压由于额外氦气瓶而成本高，于是本身对于成本设计就有先天追求的商业航天SpaceX应该做出的选择，在不少人眼里理所当然就应当是自生增压！但事实告诉我们，恰恰相反！而且即便是在去年除了这种恶性失败之后，SpaceX并未一改初衷，而是一次又一次的继续！难道，这次真的与成本无关！抑或有关！
F-1发动机原理简图
无关，就是对风险、可靠性的判断，所以选择；有关，就是权衡运载能力提升效益和系统固有成本，所以选择！不是亲历者，也无更多的提示和信息，只知道，以低成本为目标的SpaceX选择了我们认为成本高的氦气瓶增压方案！而且，氦气瓶还要放在液氧里！而且，氦气瓶还是COPV复合材料氦气瓶！
这一次，笔者真被SpaceX打败了！到底和成本有关还是无关？SpaceX！
五、它山之石
絮叨一日，终未能查证SpaceX 的选择究竟是出于何种判断和哪方考虑。但无论如何，选择已是现实!SpaceX选择了它，而我们也选择了它! 距离新一代运载火箭长征七号成功首飞也快一月了，期间笔者也有幸亲睹了常温氦加温增压技术的成功应用和勘称完美的性能展示！这对于那些年的那种、那些付出而言，也算是一种极大的、极好的、极美的回报！
如下思绪，以为共勉！
无论如何，SpaceX选择了用氦气给液氧贮箱增压！
将复合材料气瓶置于液氧中，在SpaceX如此应用之前，我们可否有过考虑？
没有什么是理所当然，液体火箭设计本就是选择你所需要的！
预祝CZ-5火箭年底成功首飞！
作者：冰箭，中国运载火箭技术研究院某运载型号主任设计师，资深火箭专家
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