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挑战者号航天飞机灾难 1

2019-07-16 23:30-23:59 责编:吴恪瑾

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各位听众大家好,欢迎收听《国家应急广播——应急档案》,我是百宁。今天,让我们重新翻看历史,回到挑战者号第10次飞行的前夕,回顾挑战者号航天飞机灾难。

挑战者号航天飞机于美国东部时间1986年1月28日上午11时39分发射在美国佛罗里达州的上空。挑战者号航天飞机升空后,因其右侧固体火箭助推器的O型环密封圈失效,毗邻的外部燃料舱在泄漏出的火焰的高温烧灼下结构失效,使高速飞行中的航天飞机在空气阻力的作用下于发射后的第73秒解体,机上7名宇航员全部罹难。挑战者号的残骸散落在大海中,后来被远程搜救队打捞了上来。

这次灾难性事故导致美国的航天飞机飞行计划被冻结了长达32个月之久。在此期间,美国总统罗纳德·里根委派罗杰斯委员会对该事故进行调查。罗杰斯委员会发现,美国国家航空航天局(NASA)的组织文化与决策过程中的缺陷与错误是导致这次事件的关键因素。NASA的管理层事前已经知道承包商莫顿•塞奥科公司设计的固体火箭助推器存在潜在的缺陷,但未能提出改进意见。他们也忽视了工程师对于在低温下进行发射的危险性发出的警告,并未能充分地将这些技术隐患报告给他们的上级。罗杰斯委员会向NASA提出了9项建议,并要求NASA在继续航天飞机飞行计划前贯彻这些建议。

在该事故中遇难的宇航员克丽斯塔·麦考利夫是太空教学计划的第一名成员。她原本准备在太空中向学生授课,因此许多学生观看了挑战者号的发射直播。这次事故的媒体覆盖面非常广:一项研究的民意调查显示,85%的美国人在事故发生后一个小时内已经听闻这次事件的新闻;挑战者号灾难也成为此后工程安全教育中的一个常见案例。

在事故发射之前,挑战者号最初计划于美国东部时间1月22日下午2时43分在佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射,但是,由于上一次任务的延迟导致发射日推后到23日,然后是24日。接着又因为塞内加尔达喀尔的越洋中辍降落场地的恶劣天气,发射又推迟到了25日。NASA决定使用达尔贝达作为降落场地,但由于该场地的配备无法应对夜间降落,发射又不得不被改到佛罗里达时间的清晨。而又根据预报,肯尼迪航天中心当时的天气情况不宜发射,发射再次推后到美国东部时间27日上午9时37分。

由于外部舱门通道的问题,发射再推迟了一天。首先,一个用于校验舱门密封安全性的微动开关指示器出现了故障。然后,一个坏掉的门闩使工作人员无法从航天飞机的舱门上取下闭合装置器。当工作人员最终把装置器锯下之后,航天飞机着陆跑道上的侧风超过了进行返回着陆场地中断的极限。直到发射时限用尽,并开始采用备用计划时,侧风才停了下来。

天气预报称28日的清晨将会非常寒冷,气温接近华氏31度,也就是摄氏-0.5度,这是允许发射的最低温度。过低的温度让莫顿·塞奥科公司的工程师感到担心,该公司是制造与维护航天飞机SRB部件的承包商。在27日晚间的一次远程会议上,塞奥科公司的工程师和管理层同来自肯尼迪航天中心和马歇尔航天飞行中心的NASA管理层讨论了天气问题。部分工程师,如比较著名的罗杰·博伊斯乔利,再次表达了他们对密封SRB部件接缝处的O型环的担心:即,低温会导致O型环的橡胶材料失去弹性。他们认为,如果O型环的温度低于华氏53度,也就是约摄氏11.7度,将无法保证它能有效密封住接缝。他们也提出,发射前一天夜间的低温,几乎肯定把SRB的温度降到华氏40度的警戒温度以下。但是,莫顿·塞奥科公司的管理层否决了他们的异议,他们认为发射进程能按日程进行。

由于低温,航天飞机旁矗立的定点通信建筑被大量冰雪覆盖。肯尼迪冰雪小组在红外摄像机中发现,右侧SRB部件尾部接缝处的温度仅有华氏8度,也就是摄氏-13度:从液氧舱通风口吹来的极冷空气降低了接缝处的温度,让该处的温度远低于气温,并远低于O形环的设计承限温度。但这个信息从未传达给决策层。冰雪小组用了一整夜的时间来移除冰雪;同时,航天飞机的最初承包商罗克韦尔国际公司的工程师,也在表达着他们的担心。他们警告说,发射时被震落的冰雪可能会撞上航天飞机,或者会由于SRB的排气喷射口引发吸入效应。罗克韦尔公司的管理层告诉航天飞机计划的管理人员阿诺德·奥尔德里奇,他们不能完全保证航天飞机能安全地发射;但他们也没能提出一个能强有力地反对发射的建议。讨论的最终结果是,奥尔德里奇决定将发射时间再推迟一个小时,以让冰雪小组进行另一项检查。在最后一项检查完成后,冰雪开始融化时,最终确定挑战者号将在美国东部时间当日上午11时38分发射。

以下关于事故的分析基于实时遥测数据、摄影分析,以及航天飞机与任务控制中心的语音通讯副本产生。发射后的所有时间信息都以秒给出,叙述的每项事件都与从最接近仪表事件取得的遥测时间码一致。

在升空前6.6秒,三部航天飞机主引擎,也被称为SSME进行了点火。为了应对发射的临时中断,SSME可在火箭离开地面前安全地关闭。在起飞时间点时,三部SSME达到了100%的效能率,并在计算机控制下提高到104%,在此时,两部SRB点火,火箭挣脱了固定用的紧固螺栓,从发射台开始上升。随着火箭的第一次垂直动作,氢气排放臂从外部舱收回,但没有成功锁上。但通过对发射台摄像机记录视频的回放,发现排放臂此后没有重新接触到船体,因而将它作为对事故有影响因素的猜想可排除。发射后对发射台的检查也显示出4颗紧固螺栓的反冲弹簧遗失了,但这也被排除了。

挑战者号升空下一个发射时的视频回放点显示,在T+0.678时,一股黑灰色的烟雾从右侧SRB尾部靠近连接该部件与外部舱的支架处喷出,大约在T+2.733时烟雾不再喷出。烟雾最后可见的时刻位于T+3.375。后来确定这些烟雾是由右侧SRB部件尾部接缝的开合引发的。助推器的外壳在点火产生的压力下有所膨胀,作为膨胀的结果,外壳的金属部分崩离了其他的部分,打开了一个泄漏温度高达摄氏2,760度气体的裂缝。主O型环是设计用于封闭该裂缝,但在过低的温度下它没能在第一时间内密封住,而副O型环又因为金属部分的崩离而偏离了原有位置。这样就没有可阻碍气体逸出的障碍了,两个O型环在大约70度的范围内都被气化了。然而,固体燃料燃烧产生的氧化铝封闭了损坏的接缝,在明火冲出裂缝前临时替代了O型环的密封作用。

在火箭离开发射塔后,SSME以最大效能的104%运行,控制权从位于肯尼迪中心的发射控制中心移交到了休斯敦的任务控制中心。为了预防空气动力拆散航天飞机,在T+28时SSME开始降低功率以减小航天飞机在密度较大的低空大气中的速度。在T+35.379时,SSME已低于计划的65%效能。5秒后,在5800米的位置时,挑战者号突破了音障。在T+51.860时,SSME重新回到104%的效能,火箭也已接近最大Q值:飞行物能承受的最大气动压力。

正当航天飞机达到最大Q值时,它遭遇了航天飞机程序记录中最强烈的风切变。

一台追踪摄像机捕捉到了右侧SRB靠近尾部支架处出现的烟羽。当时挑战者号与地面的休斯敦对此都还不知情,但可燃气体已从右侧SRB的一个接缝处开始泄漏出来。风切变的力量粉碎了替代损坏O型环的氧化物密封层,移除了阻碍明火从接缝处泄漏出来的最后一个屏障。在一秒内,烟羽变得明显并剧烈。由于密封失效的接缝处迅速扩大的裂缝,右侧SRB的内压开始减小,在T+60.238时,已可在视觉上观察到从接缝处逸出的火焰,同时开始灼烧外部舱。

随后,烟羽突然改变了形状,这表明尾部燃料舱的液氢舱开始出现泄漏。在电脑控制下,主引擎的喷嘴开始绕枢轴进行转动,试图补偿助推器产生冲力导致的不平衡。在T+66.764时,航天飞机外部液氢舱的压力开始下降,显现出了泄漏所导致的影响。

对宇航员与飞行控制员来说,这个阶段的情形看上去似乎还是正常的。太空舱通讯员通知宇航员们“执行加速”,机长迪克·斯科比确认了这个呼叫。他的响应是:“收到,执行加速”,这句话是挑战者号空对地回路的最后一次通讯。

不久之后,右侧SRB部件似乎已从与外部舱连接的尾部支架上扯落。事后从遥测数据的分析显示,航天飞机右侧有突然的加速,宇航员们也可能感觉到:船员舱记录器最后的状态记录是在加速后半秒钟时,驾驶员迈克尔·史密斯发出了“嗯噢”的叫声。史密斯可能也感觉到了主引擎异常表现的征兆,或是外部燃料舱压力的下降。

舰尾拱顶的液氢燃料舱之后发生故障,产生的一股推力将液氢舱推挤入了上端的液氧舱;与此同时,右侧的SRB绕着支架向上转动,并且撞击到了内部燃料舱结构。

在航天飞机在14.6千米的高度上开始解体。伴随着外部燃料舱的瓦解,挑战者号在气流的冲击下改变了正常的方向,并在异常的气体动力产生20g——远超过设计极限的——负载系数下立刻被撕裂开来。

两架SRB则因能承受更大的空气动力负载,在从外部舱分离后还继续进行了37秒钟的失控动力飞行。SRB的外壳由12.7毫米厚的钢板构成,比航天飞机与外部燃料舱更为坚固;因此两架SRB在航天飞机解体时得以幸免,即使导致挑战者号毁灭的SRB接缝烧穿对右侧SRB的影响依然存在。SRB在其于大气层的烧蚀过程中损坏。

在事故发生后,任务控制中心持续了十几秒的宁静。电视屏幕上显示着挑战者号所在位置出现的烟雾,和向海洋坠落的大量碎片残骸。在大约T+89时,飞行指挥杰伊·格林提醒飞行动力官员向他提供信息。得到的回复是“过滤雷达得到不连续的来源”,进一步表明挑战者号已经破裂成了许多碎片。地面控制员报告说,挑战者号的无线通讯器与遥测数据均“无法连接,下行链路失败”。格林命令他的小组“仔细察看你的数据”并寻找轨道舱成功逃生的任何迹象。

卡纳维拉尔角空军基地的靶场安全官员向航天飞机与SRB发出了无线电信号,激活了靶场安全系统的自毁程序。这是一个应对紧急情况的正常程序,以确保自由飞行的SRB不对陆地或海洋的目标造成威胁。另外一个相同的自毁信号也摧毁掉了外部舱未分解的部分。

“这里的飞行控制员在应对该情况时看来是非常谨慎的,”公共事务官员史蒂夫·内斯比特报告说,“一个明显的主要故障是,我们没有下行链路。”在一个停顿后,内斯比特说道:“我们从飞行动力官员得到的报告说飞行器已经爆炸。”

格林命令任务控制中心执行紧急情况程序;这些程序包括封锁进出控制中心的通道、切断与外部世界的电话联系,并根据清单确保有关的数据都正确地被记录与保护。

与飞行动力官员最初的结论相反的是,航天飞机与外部舱实质上并没有“爆炸”。它们是在航天飞机接近最大气动压力后,被巨大的空气动力迅速撕裂的。外部舱解体后,其中储存的燃料与氧化剂逸出,并造成爆炸产生巨大火球的假象。不过,按照NASA团队在事故后的影像分析结果来看,推进燃料只有“部分燃烧”。 同样的,航天飞机泄漏的液氧和液氢产生了最初组成可见烟云的成分:水蒸气与气体。传统上,保存在低温下的液氢不可能迅速地燃烧并触发一场“爆炸”。如果发生爆炸,爆炸会迅速摧毁整个航天飞机,同时连带杀死机上的所有宇航员。但在飞行器解体的过程中,更坚固的船员舱与SRB幸存了下来;SRB随后被远程遥控命令自毁;分离的船员舱则以抛射轨道下坠,并在T+75.237离开烟云时清晰可见。飞行器解体25秒后,船员舱抵达19.8千米的抛射轨道顶点,并于14.6千米处解体。 

在飞行器解体的过程中,更坚固的船员舱保留了整体,并处于慢速翻转状态。NASA粗略估计,如果要撕裂船员舱的话,作用力要达到重力g的12到20倍.但是,在两秒内,作用在舱体上的力已经减少到4g以下,而在10秒后船员舱已进入自由落体状态。这些力看起来不足以对舱体造成主要的损害。至少在解体后,有迹象表明,部分宇航员依然还活着并暂时具有意识:事后发现飞行甲板上的4个个人外出空气袋中的3个已激活。调查员发现空气余量与解体后2分45秒的抛射时间大约一致。在解体较长一段时间后,宇航员是否还具有意识是不可而知的,这在很大程度上依赖于分离的船员舱内是否维持了安全的压力。如果没有,在当时的高度上能维持意识的时间只有几秒钟;PEAP只供给非加压的空气,因此无助于帮助宇航员们维持意识。船员舱以大约334千米/时的速度溅落海面,导致了超过200 g的瞬间减速,远远超过了船员舱的结构承受极限与人员存活极限。

1986年7月28日,NASA太空飞行副主管及前宇航员理查德·特鲁利海军少将,发表了一份由休斯敦约翰逊航天中心的生物医学专家约瑟夫·克尔温提交的报告,提到了事故中宇航员的死亡。克尔温博士曾参与天空实验室2号任务,在事故发生不久后便被委派负责调查事故的原因。克尔温的报告中提到:

“结果是不确定的。船员舱与海洋表面的碰撞非常猛烈,导致了在爆炸后几秒内造成的破坏迹象被抹除。我们的最终结论是:

不能确定导致挑战者号宇航员死亡的原因;轨道舱解体时的作用力对宇航员也许不能造成致命或严重的伤害;而宇航员很有可能,在轨道舱解体后的几秒内由于飞行中的船员模块失去压力而失去意识。”

另据最新消息,根据死亡解剖证据,宇航员死因已经被判明为坠落时舱体与海面的重击而造成死亡。

调查表明,在航天飞机解体爆炸前,至少有3名航天员并没有马上死亡。这3名航天员打开了航天飞机上的应急供氧设备。航天飞机解体到坠入海洋历时至少3分钟,这3人最终死于低温、缺氧和掉入海洋时500多G的超重。在航天飞机设计期间,曾有几次提及发射逃生系统,但NASA的最终结论是:航天飞机可期待的高可靠性可以排除对这一系统的需要。前4次测试飞行的航天飞机轨道任务中,用到了修改后的黑鸟式侦察机弹射座椅与全套的增压服;但在后来正式的任务中,却移除了这些装置。发射逃生系统被认为有以下这些局限而未安装:“有限的作用、技术的复杂与过多金钱的花费、重量与日程表的拖延”。

在失去挑战者号后,这个问题被再次提出,同时NASA也考虑了几种方案:包括弹射座椅、牵引救生装置与从轨道舱底部跳伞逃生的方案。但是,NASA再次得出了所有的发射逃生系统都是不切实际的结论,理由是这些都将导致必然对现有飞行器进行大规模的修改,并因此缩减宇航员的活动空间。跳伞逃生系统的设计允许宇航员在航天飞机滑行过程中跳伞逃生;但是,该系统已经无法在挑战者号的方案中实现了。

事故发生后,NASA被批评为在新闻上缺乏开放性。《纽约时报》提到了在当天的事故后,“无论是上升阶段的飞行指挥杰伊·格林,还是控制室的其他人,都没有通过航天机构向新闻机构提供有关信息”。由于缺乏可靠来源,新闻机构只能进行推测;《纽约时报》与合众国际新闻社都推测出了外部舱的故障是事故主因的结论,尽管当时NASA的内部调查人员已经将调查的焦点放在了固体火箭助推器上。“航天机构,”航天新闻报道员威廉·霍伍德写道,“坚守着那套关于调查详情的严格保密政策,这是一个不断标榜自己公开性的机构的非典型姿态。”

国家应急广播—应急档案,今天,为您讲述:挑战者号航天飞机灾难,也希望能引起大家的思考。我是百宁,明天见!