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失效的O型环和命殒天际的航天员 挑战者号航天飞机空难
(2017-08-11 16:23:19)
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杂谈 |
文/乔善勋
挑战者号航天飞机是美国国家航空航天局（NASA）肯尼迪太空中心下的一架航天飞机，从1983年开始往返太空和地球，不幸的是，1983年1月28日的一次发射中（STS-51-L）发生意外，7名航天员悉数罹难，什么原因让举世瞩目的航天飞机爆炸呢？
图1、挑战者号在通往发射台的途中
1983年1月28日，肯尼迪太空发射中心即将迎来第25次航空飞机发射。航天技术无疑代表着美国乃至全人类的最高科技，有数百万美国人聚集在电视机前观看这一盛况，然而，它刚刚升空73秒钟便遭遇不测。
执行STS51任务共有七名航天员，分别是迈克尔·J·史密斯、迪克·斯科比、罗纳德·麦克奈尔、鬼冢承次、克丽斯塔·麦考利夫、格里高利·贾维斯和朱迪斯·蕾斯尼克。
图2、后排：鬼冢承次、克丽斯塔·麦考利夫、格里高利·贾维斯、朱迪斯·蕾斯尼克。前排：迈克尔·J·史密斯、迪克·斯科比、罗纳德·麦克奈尔
挑战者号此次将携带首位平民进入太空——女教师麦考莉芙。她还将在天空中上一节别开生面的太空课程，此行亦向世人宣传教育工作的重要性。她为了迎接天空之旅，还接受了5个月的太空训练，这也为美国第25次航天飞机发射赋予了特殊使命。
当天早晨8点8分，肯尼迪太空中心的工作人员正为挑战者号发射做最后的准备，七名航天员也陆续进入舱内。挑战者号是4艘航空飞机中最为稳定的一架，它完美的执行了前9次发射任务，平安的将51名航天员送入太空。
图3、挑战者号发射前，发射台上结的厚冰
挑战者号此次发射任务出师不利，因天气原因拖延了一周时间。一月的卡纳维拉尔角正直寒冬时节，肯尼迪航天中心的发射塔一度被冰雪覆盖，冻结的冰柱超过1米长，此前从未有航天飞机在如此酷寒环境下发射。发射中心决定再延迟2小时发射，希望到时气温有所回暖。
挑战者号的推进器每秒可以燃烧4千升燃料，其外部燃料箱高达46米，但主要推动力来自两具固态燃料推进器，它们能提供高达300万千克推力，可以让火箭加速至2.8万千米/时，最终让航天飞机达到脱离地球重力的速度。
挑战者号貌似做好了准备，航天中心也进入了发射倒计时。虽然推进器中装载了大量易燃燃料，但美国航空飞机的发射史上还保持完美的记录。随着发射员进入读秒程序，挑战者号吐着庞大的火舌冲向天际。
图4、挑战者号在肯尼迪航天中心升空
挑战者号发射后就开始调整姿态，为进入既定轨道做准备。它的时速已经高达1600千米，当它升至1万米高度时，突然一阵强侧风袭来，挑战者号到了发射最关键的阶段，这也被称成为MAX-Q，意味着航天飞机能承受的最大气动压力，如果速度过快，它也有解体之虞。
控制室飞行主任决定让挑战者号减低功率至65%，发射66秒后，它顺利通过危险阶段。此时它必须加速至2.8万千米的时速才能脱离地球引力，这需要推进器火力全开。
图5、挑战者号航天飞机爆炸瞬间
突然，挑战者号被炸成一团火球，地面控制中心也失去了联系，他们为了确保安全，引爆了失控的推进器。挑战者号也急速的向大西洋坠去，最终回传的消息确认它已经爆炸。
原本当做盛典来庆祝的人们，由期待、惊喜转变为惊愕继而相拥而泣……
图6、观众看到爆炸后的场景
控制中心分析图像看到成员舱还保持完整，他们立刻通知国防部门，要求展开搜救工作。大规模的搜救队马上赶赴可能的落水海域，然而，一无所获。搜救队找到挑战者号的残骸后，发现它早已在2倍音速的冲击下撕裂成碎片。
航天员的头盔都集成有紧急供氧系统，NASA的调查员发现有三具头盔开启了该系统，这意味着事故发生时，还有三名幸存者。
图7、罗杰斯委员会调查成员在肯尼迪航天中心
时任美国总统罗纳德·里根参加了悼念活动，同时他还下令成立由前国务卿领衔的特别委员会——罗杰斯委员会，全权负责此次事故的调查。
调查员调取了两百多部影像资料，他们看到火箭发射2秒钟后，出现了神秘的黑色烟雾从右推进器后方冒出，这和燃料槽的距离很近。这个关键的证件显示，助推器的O型环在起火燃烧。
在莫顿·塞奥科公司（NASA的分包商之一，负责建造推进器）工作的罗杰·博伊斯乔利向调查委员会指证了一个惊人的消息，他认为挑战者号在发射前就有故障的征兆。
1985年1月，发现者号也是在一个寒冷的冬日发射升空。博伊斯乔利在取回的推进器上，发现连接使用的套管有严重问题，O型环周围有大量的烟熏和烧焦的痕迹。他认为是过低的问题导致O型环硬化，从而失去密封的功效。他甚至推测发现者号差一点就命殒途中，O型环还差1厘米就完全烧断……
图8、运送挑战者号遇难航天员的灵车
挑战者号升空前13个小时，博伊斯乔利曾试图阻止发射行动，与会者包括莫顿·塞奥科的四名资深经理、NASA肯尼迪航天中心高管和推进器主管。莫顿·塞奥科方面建议中止发射。
NASA方面认为气温仅是一个参考资料，他们对延迟发射大为光火。莫顿·塞奥科公司的总经理劝慰博伊斯乔利，称其不要单纯的从工程师角度想，也要考虑到管理层所面临的压力。最后达成的结果居然是投票决定是否发射，挑战者号的命运就断送在可笑的投票中。
博伊斯乔利认为O型环在酷寒环境下会失效，如果他的警告被认同，悲剧就不会发生。
可惜，没有如果。
调查还在继续，调查员得知点火时，推进器需要承受巨大的压力。火箭推进器由四个重要部件组成，它们彼此通过套管联系在一起，在百分之一秒内被点燃，推进器的钢箍会被撑开，O型环必须在瞬间膨胀才能避免燃料外泄。推进器的点火程序从上而下穿过固态燃料的中央管道，推进器内部燃烧的气体会释放极大的压力，以8500千米的时速向下喷射。
调查员发现，主发动机在发射前6秒钟启动，此时挑战者号还在发射台上，强大的推力让它晃动幅度超过1米。当挑战者号恢复正常时，发射台固定支架脱落，推进器开始启动。在此期间挑战者号也会有规律的晃动，和黑烟冒出的频率一致。这让调查取得新的进展，推进器的晃动导致连接套管间歇性失效。
上世纪50年代，固态燃料火箭加入铝这种新材料，铝能显著提高燃烧温度，并增加50%的推力。但是加入铝之后，会留下金属残渣，残渣会堵塞失效的连接套管。
还有一台摄像机捕捉到右侧推进器和外部燃料箱连接处，画面显示有火焰冒出。挑战者号拥有两千多个传感器，传输回地面的飞行数据开始出现异常。挑战者号发射60秒后，正处于关键的MAX-Q阶段，它需要承受的空气阻力达到最高，结构承载力也接近极限。推进器的压力突然降低，从44.8kg/cm²降至43 kg/cm²。压力迫使铝渣脱落，裂缝呈现打开状态，燃料又快速溢出。
图10、挑战者号被拍摄到的异常画面
挑战者号发射时，右侧推进器的O型环便因酷寒而硬化，导致下方连接套管失效。高温气体溢出并排出的铝渣堵住了裂缝，挑战者号得以避免在发射台上爆炸的惨剧。
挑战者号在爬升时遭遇强侧风，铝渣在严重晃动中脱落。与此同时，右推进器开始燃起大火，超高的温度烧穿了外部燃料槽，含有巨大能量的液氢燃料开始泄露。当火箭加速向上突破MAX-Q阶段时，推进器和外部燃料槽的连接器起火燃烧，当支架被燃烧熔断时，燃料槽底部开始分离，推进器的头部撞上燃料槽的顶部造成更大的爆炸。
1986年6月9日，罗杰斯委员会发布了最终的事故报告，全文厚达225页。事故原因指出NASA的组织文化和决策过程有巨大漏洞，其在压力下做出了错误的决策，而忽略了明显的危险信号。挑战者号事故的主要原因不是失效的O型环，而是整个决策系统。
调查员发现，早在1977年NASA的管理层已经发现，莫顿·塞奥科公司所设计的助推器O型环有潜在缺陷，但是却从未提出意见整改漏洞。发射的那天早晨，亦有工程师对此发出警告，他们也隐瞒了这一关键信息。
图11、罗杰斯委员会发布的最终事故调查报告
最终，罗杰斯委员会向NASA提出了9项建议，并要求其在重启航天飞行计划前予以彻底整改。
事故发生几个月后，莫顿·塞奥科公司赔偿航天员家属约430万美元，同时他们也得到了一份价值18亿美元的新合同，用以研发新型火箭推进器。
太空计划因此推迟6年之久，航天飞机采用了新的设计和安全系统。但即便如此，2003年，哥伦比亚号航天飞机在返回地球时依然遭遇不测，爆炸造成七名航天员遇难。新的事故调查报告指出，NASA并未吸取挑战者号悲剧的教训。
安全，就应该是一票否决制。否则，事故的发生，只是时间的问题。
图12、1986年1月31日，德州休斯顿的挑战者号遇难者悼念仪式上，时任美国总统罗纳德·里根携其夫人前往致意
罗杰·博伊斯乔利在1988年被授予AAAS科学自由与责任奖，他于2012年1月6日在犹他州逝世，享年73岁。
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