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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

(2017-08-12 15:59:10)
标签:

杂谈

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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?


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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。


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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。


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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。


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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。


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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……



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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。


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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……


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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。


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 图9、NASA设置的D-67摄像机捕捉到的图像

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。



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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。


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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。

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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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