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
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
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。
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。
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。
国内空难最高赔偿多少钱调查员发现,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。
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/cm⊃2;降⾄43 kg/cm⊃2;。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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