网原创｜计算解读天龙三号火箭事故——约120吨煤油落地爆炸
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核心提要
1. 7月2日，天兵科技就天龙三号液体运载火箭一子级火箭试验故障致歉。对于上一篇所说的缺少钢索约束系统，天兵科技回应称，因没有空间布置类似SpaceX的连地钢索方案，采用了其他连接方法，而连接处结构失效的详细原因正在调查。
2. 根据天兵科技的说明与详细计算，天龙三号设置了试车台紧固件与拉锁装置作为保险措施，但由于点火试车时的振动冲击、热负荷较大，这些装置在火箭点火瞬间失效，导致一子级意外升天。这是简单的还原，关于这次事故还有更多深层问题有待探究。
3. 天兵和所有商业航天公司竭力对标的SpaceX，在过去20年、总数近千次的全推力静态点火测试中，无论是第一代试车台纯螺栓、第二代试车台的螺栓-拉锁-钢索三联保险，还是第三代面对10倍推力巨型星舰的20部锁紧承载装置，约束装置都没有出现问题。这是国内民营火箭的第一次一子级全推力试验，就出现事故，具体原因值得分析和总结。
作者｜唐驳虎
新闻客户端荣誉主笔
继续来谈谈2024年6月30日天龙三号火箭试车意外升空的情况。有人说，上一篇文章的标题和引用，有点太无厘头了。这还是严肃的新闻评论吗？
上一篇主要是指出，天龙三号火箭意外升空，除了连接结构失效，还在于一个重要的保险措施缺失，那是没有钢索约束系统。
天兵披露试车情况，确实没有设计钢索
上一篇先是引用了一个流传的段子，老总没买钢索云云。但原文随即就评价和辨析指出：这听上去好像是编的段子，但是实际约束系统就是没有通过考核。
而且从天兵科技之前发布的照片看，在火箭箭体顶部，的确并没有钢索约束装置和地面相连。看来短时间内也很难加装。
从通报看，也是说箭体和火箭试验台之间的连接结构失效，那么意味着，这次天兵科技火箭试车的确没有钢索约束系统。不是没买，也不是没买够，就是没有。
当然还有网友很认真地指出：巩义是个工业城市，恒星科技钢绞线产量占全国三分之一，还是国内特种钢丝第一股，巩义是全世界最不缺钢丝绳的城市。
而真正权威的还是天兵科技方面，特地发过来的详细回复和解释：制定天龙三号一子级试车方案时，设计人员多角度考虑了箭体约束措施。
其中也参考了SpaceX的试车方案，例如钢索约束。但是由于试车台位置所限，一侧为山体，正向为导流槽及水池。
受限于空间以及地基原因，会导致钢索布置的方向、数量不均匀。万一失效，箭体原地倾倒，后果不堪设想。
所以，设计人员只能通过计算通过箭脚与试车台连接。并在试车台上追加8根拉锁装置，与尾部箭脚加强固定连接。
但由于试车启动时振动冲击较大，动载荷放大等综合因素，导致连接处结构失效，详细原因正在调查。
所以确实情况就是天兵科技公司认为，没有空间布置类似SpaceX的连地钢索方案。确实没有设计钢索，这也是我们进一步讨论的前提。
我们这一篇主题首先也不是聊天兵，而是聊天兵和所有商业航天公司竭力对标的对象——SpaceX，那个人人都自以为对它很了解的SpaceX。
SpaceX的试车，第一代、第二代
从细节谈起，其实在上一篇，就简单介绍了SpaceX猎鹰-9号一子级（火箭第一级、最下边一级）全推力试车的情况。
从照片来看，除了把火箭底部和测试台紧密相连的地锚螺栓外，还有四根长长的拉锁装置，从发射台直接连通火箭顶部的配重压仓，配重压仓用于模拟上面级的重力。
除了这两道束缚装置之外，还有四组（每组多根钢索）以较大的斜度通向四周地面上的锚固点，提供了第三道保险。螺栓、拉锁、钢索，三重保险，可见安全措施是非常完善的。
不过，SpaceX也不止猎鹰-9号这一款产品，在20年的研制周期里，也有过其他不使用拉索的方案。应当全面叙述，才能有一个完整的了解和理解。
2003年，刚刚成立的SpaceX就在得克萨斯州的麦格雷戈（McGregor）租下一大块地，专门用于测试火箭发动机。
麦格雷戈位于得州州府奥斯汀以北约100公里、达拉斯西南约160公里。SpaceX 的这块地面积高达4280英亩，也就是17.32平方公里，相当于超过4公里见方。
过去20年，麦格雷戈基地一直是SpaceX公司自研的梅林（Merlin）发动机和猛禽（Raptor）发动机最主要的试验研发和测试场所，每台发动机都要在这里进行测试。
2005年5月27日，单发梅林1发动机的猎鹰1，在加州范登堡空军基地进行首次静态点火试车，持续时间5秒。而之后的发动机测试工作就转到了麦格雷戈。
SpaceX在这里最先修建了一个“三脚架”（Tripod）垂直试验台，外观形似一个超大的三脚架。先后开展了猎鹰-9号一子级的发动机组合及半箭系统测试。
2007年11月，进行猎鹰-9号一子级的首次试车，仅使用1台液氧-煤油燃料的梅林1发动机；
2008年1月18日，双发试车；
2008年3月8日，三发试车；
2008年5月29日，五发试车；
2008年6月30日，第一次九发点火试验；
2008年8月1日，首次九机完全推力、但非全程时长的测试，VTS3-018，采用完全状态的梅林1C发动机。试验总推力385.5吨。
2008年9月22日，首次全程时长、但非完全推力的九发测试；
2008年11月22日，首次全任务剖面时长、全推力、九发点火测试，VTS3-027，消耗227吨推进剂，总推力387.8吨，工作时长178秒。
9台梅林1发动机中的2台在160秒后按计划关闭，测试时序与真实飞行相同。这时的原型火箭用大型螺栓和销钉固定在三脚架试验台上。这是SpaceX试车的第一代。
猎鹰9号在火箭底部预留了四个结构固定接口，起竖、试车与发射时，都有一套专门的连接装置进行固定。
“三脚架”垂直试验台设计的可承受推力为当时猎鹰-9推力的3倍，也就是接近1200吨。所以也没有加装钢索保险装置。
为改进实验条件，SpaceX先后在三脚架试验台的顶部加装了一个工作塔，以便工程师和工人靠近箭体进行作业，设施总高度达到了83米。
后来又在三角架的底部增加了大型水冷式火焰导流槽，用于对一子级发动机的尾焰进行导流。
为满足发动机的研发需求，对可重复使用性的验证和科研需求，包括9台乃至33台发动机并联工作带来的性能测试和验收实验量需求。麦格雷戈基地进行了大量的发动机试验测试。
截止2015年3月，这里7年多已经进行了4000多次梅林发动机测试，其中包括大约 50 次、九台发动机并联组合的猎鹰-9一子级点火试验。
但是“三脚架”的高架设计，使得每次吊装拆卸高空作业都会很繁琐。随着试验任务的快速增加，SpaceX新建了一个新的半地下试验台。
新试验台挖掘了庞大的地下导流槽，能够承载更大推力。而安装平面与地面平齐，也大大便利了装卸工作。
同时配套一个1900立方米的高架水塔，排水管直径1.8米，可在90秒内排空，每秒流量超过21吨。
从这个新试验台开始，麦格雷戈的大多数新建试验台都会使用大规模的喷水系统，以降低火箭发动机试验时产生的巨大噪音。
2016年后，猎鹰-9的一子级半箭试验转移到这里进行，这就是较常见的猎鹰-9全推力试车场景：地锚螺栓+四根发射台长拉锁+四组地锚拉索。
三道保险组合，确保即使是九台最新梅林-1D发动机（单台海平面推力82.8吨）的总推力745吨，也无法撼动半分。
猎鹰-9火箭一子级全程热点火试车的时间为150秒（两分半钟），创建出更真实的测试环境。这项测试不仅安排在猎鹰-9火箭出厂前，也会在回收后复飞前进行。
与备受瞩目的霍桑总部和博卡奇卡发射基地相比，德克萨斯州的麦格雷戈（McGregor）试验基地相对就太默默无闻了。
三个地点分别对应着SpaceX成功的三大与众不同法宝：颠覆式创新、试错式迭代、试验全覆盖。颠覆式创新、试错式迭代，这两点对稍微了解SpaceX的人都很熟悉了。
而麦格雷戈试验基地的幕后工作——试验全覆盖，就非常鲜为人知。而这却是支撑SpaceX从创立走到现在，快速、稳健、跨越式发展的基石。
SpaceX动力系统试验第三代
2019年，SpaceX对闲置几年的三角架试验台进行了改造，用于“星舰”的猛禽发动机（液氧-甲烷燃料）垂直测试，并拆除了以前用于猎鹰一子级火箭作业的塔架。
除了箭体子级整体推进测试，麦格雷戈试验基地还有多个单体发动机试验台。包括梅林发动机试验区（至少5个垂直试验工位）、猛禽发动机试验区（至少5个垂直试验工位）。
“猎鹰-9”、三并联的“重型猎鹰”，从发动机到一子级动力系统整体的地面测试，还有箭体结构验收测试都在这里进行。
SpaceX公司密集的商业发射日程、动力系统9台、27台甚至33台发动机并联工作的设计特点，以及快速迭代改型的研发需求，对发动机试验的频次和总量的需求很大。
但是到了SpaceX公司目前研制的新一代巨型火箭“星舰”，火箭一子级动力系统的整体测试，就转移到博卡奇卡发射基地的发射台上进行。
一是“星舰”的体量、推力（7600吨）远远大于“猎鹰-9”（745吨），二是“星舰”的不锈钢箭体生产、组装都在博卡奇卡当地完成。
（重型猎鹰完整的三芯并列动力系统测试也在发射台进行。）
“星舰”完全体是一个高达120米，起飞重量超过5000吨的巨型火箭。一子级“超重型助推器”也高达70米、3000多吨，并联33台“猛禽”发动机，总推力7600吨。
2023年2月9日，“星舰”一子级在博卡奇卡的发射台上首次点燃了发动机。实际一共启动了31台发动机，点火持续将近15秒，产生了7130吨推力。
如此巨大的推力，那火箭如何固定在发射台上呢？由此，SpaceX工程师设计和建造了一个庞大、复杂、精巧的星舰高架发射台（OLM）。
在高架发射台上，沿着直径约10来米的火箭喷口圆环（星舰箭体直径9米），布置了20部支撑、承载、锁紧和快速断开装置。
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当一级空芯箭体吊装到发射台上时，20部装置的支撑臂就会把它支撑、压紧。机构与火箭承力位置分别对应着火箭一子级的20个外环发动机。
每部装置旁边，还有另一个可活动机构，这些是小型快速断开臂，用于对接火箭一子级的20个外环发动机。
在星舰组装、灌注燃料和发射前，这些支撑臂支撑总重达5000吨的火箭（每部支撑臂承载250吨），把重量转移到周围的钢结构中。
当星舰一子级在发射台上进行点火实验时，这些支撑臂又能夹住7000多吨的推力扣除3500多吨箭体重量，所产生的3000多吨向上拉力。
无论是5000吨的火箭重力，还是试验时3000多吨的净推力，20部装置都能使巨大的火箭稳稳地伫立在发射台上。
而当火箭发射时，一子级所有33台“猛禽”发动机都启动后，这20部锁紧装置就会快速缩回到钢结构发射环，然后火箭升空。
从星舰历次静态点火和试飞来看，星舰轨道发射台所有装置都非常有效并且可靠，随着星舰更多次的试飞，发射台也在不断改进与迭代。
对SpaceX来说，在发射前的几天都要进行一子级几秒钟的短时静态点火测试，相当于对火箭动力系统的一次“集体考核”。
与此同时，从麦格雷戈到博卡奇卡，总数近千次的全推力静态点火测试，约束装置都没有出现问题。
无论是面对猎鹰-9的第一代试车台纯螺栓、第二代试车台的螺栓-拉锁-钢索三联保险，还是第三代面对10倍推力巨型星舰的20部锁紧承载装置。
然而中国民营航天首枚对标“猎鹰-9”号的火箭，第一次一子级全推力试验，就出现了飞脱、意外升空的危险事故。
关键还发生在人口稠密的城市边缘，这是非常值得分析总结的。
天龙三号火箭试车事故计算
6月30日下午3点43分，天兵科技在河南郑州巩义市综合试验中心，对天龙三号火箭一子级进行九机并联静态点火测试。结果火箭从试车台飞脱，静态点火变成了意外发射。
大约15秒后，火箭发动机关闭，坠毁到试车台西南方向约1.5公里处山区，剩余燃料（煤油、液氧）爆炸起火，震动在市区可闻，所幸没有造成人员伤亡。
根据航天研究者高流的分析和计算，大约在火箭点火后6秒，40米高的一级就开始从烟尘中露头，之后仅过了一秒钟，就完整飞出烟尘。
估算火箭在这一秒内就上升了近40米。说明火箭只用了6秒半就加速到40m/s，火箭是刚一点火就从试车台上飞脱了，加速度达到0.6个G（0.6倍重力加速度）。
根据天兵科技公告，9台发动机实际产生820吨推力。而按照0.6个G的上升加速度，再考虑重力本身，计算得出火箭起飞质量大约是 820 / 1.6 = 512吨。
当前天龙三号的设计起飞总重量为590吨，512吨正好符合一子级的重量。剩余上面的二子级为一台真空型（喷管扩大获得更大推力和效率）发动机及相应燃料。
这个满载燃料（煤油-液氧）的重量，说明这次天兵科技的测试目标，很可能就是接近全程（约180秒）全推力测试，一步到位。
天龙三号的发动机是9台天火12，平均单台发动机推力91吨。根据比冲性能和火箭发动机推力公式，估算出每台发动机每秒大约消耗320公斤燃料。
9台发动机工作170-180秒需要消耗近500吨燃料。而天龙三号火箭箭体本身一级干重估算是24吨（猎鹰9号为22吨），加上燃料差不多也是510吨。
而网友也迅速找到了天兵科技发布的试车台专利。天龙三号在这方面也借鉴了猎鹰9号，一级也有四个预留的结构连接点。
根据专利说明书，这套紧固件的设计极限承载能力达到600吨，火箭推力是 820吨。也就是说，只要紧固件工作正常、火箭本身重超过220吨，就飞不起来。
另据天兵科技的说明，在试车台上还追加了8根拉锁装置，与尾部箭脚加强固定连接。
根据历史图片显示，这套拉索装置，在天龙二号火箭试车时就有了，算是一套辅助保险措施。
但是，由于点火试车时的振动冲击、热负荷较大，这些装置在火箭点火瞬间就失效了，被9台发动机820吨的推力迅速突破，推动重约500吨、没有安装飞控系统的一子级意外升天。
推测可能是高温和震动导致固定件出了状况，导致失效，火箭直冲云霄，并在工作约15秒、消耗43吨燃料后，抵达距离地面约1500米高度，箭上计算机关机，大部分发动机关机。
随后在重力作用下下落20秒，剩余的大约450吨燃料（约120吨煤油、330吨液氧）坠落到地面，并被发动机尾焰点燃爆炸。
另外，试车台的安全冗余保险装置不足，这在上一篇一开始就说过了（“没买钢缆惹的祸”）。而刚才说的这些，只是简单的事故还原。这次事故还有更多深层问题有待探究。
