IT工程師數位筆記本

?1986年1月28日，挑戰者號航天飛機由于發射時右側的航天飛機固體助推器的O型環碎裂，在發射后第73秒時解體并導致參與STS-51-L任務的所有7名成員罹難。來源：NASA

在這張照片中可以見到分離的航天飛機主發動機和固體火箭助推器在煙霧包圍下飛出，而球狀氣體的煙塵則是外部燃料艙所制造的。由于在挑戰者號出事前，航天飛機已有24次的任務成功經驗，并宣告美國已脫離使用火箭的年代，人們在電視上見到挑戰者號的機體分解時都感到十分震驚，甚至許多人仍無法相信航天飛機會發生意外，直到美國國家航空航天局出來證實這項悲劇事故。

撰文 | 張天蓉（美國德州大學奧斯汀分校理論物理博士）

責編 | 寒凌旭

審校 | 張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員）

          鄭永春（中國科學院國家天文臺副研究員）

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太空探索的道路并不平坦，人類前進的步伐中，處處可見開拓者們的斑斑血跡。太空是一個人類知識還很缺乏的疆域，死人的事時有發生，事故和災難在所難免。

航天的發展首先基于火箭的研究，火箭的工作原理是依靠燃料燃燒釋放出的強大化學能而產生的反沖力。燃料可以是固體（比如炸藥），或者液體（比如汽油），讀者一聽便知，這兩者都是有可能發生意外容易爆炸的物質。

在火箭發動機的研究中，誰是第一個犧牲者呢？那是一個鮮為人知的名字。

馬克斯·法列爾（Max Valier，1895年 - 1930年）是奧地利的火箭先驅，也是一位科普作家。自從齊奧爾科夫斯基1903年的論文《利用反作用力設施探索宇宙空間》奠定了火箭及航天的理論基礎之后，世界各地涌現出一批研究火箭的熱心追隨者，美國有戈達德，德國有火箭專家布勞恩的老師--奧伯特。布勞恩二戰期間為納粹帝國研制V2導彈，后來又成功幫助美國實現阿波羅登月。

法列爾在大學時學物理，后因第一次世界大戰時服務于奧匈帝國的空軍而中斷學習。戰后他留在德國，十分欣賞奧伯特的著作《飛往星際空間的火箭》，并將它改寫成了一本更為通俗的科普作品，取名《沖入太空》，這本書之后又被另一位年輕人，學生物的大學生威利·李改寫成了一個他自己的版本。為了聚集民間的力量，研制出實用的火箭，實現飛上太空的夢想，法利爾和一位航空工程師溫克勒一起，創建了《德國星際航行協會》，威利·李、以及后來的布勞恩等，都一度成為其中活躍的骨干分子。

協會的初衷是研發及制造火箭旅行太空，但由于資金缺乏，太空之夢太遙遠不現實，難以得到富商的贊助。法列爾便想辦法去說服了一位富有又好大喜功的汽車制造商，鼓動他出資研究制造火箭動力汽車，反正對汽車火箭發動機的研究后來也可以用在航天器上。在這個項目中，法列爾首先研制出了一種固體火箭發動機，將它安裝在汽車尾部，取得了一定的成功。法列爾高興地駕駛著經過他改進的火箭汽車，速度最高達到了每小時112公里，這在當時是一個了不起的進步，法列爾和那位商人都為此風光一時，見圖1。

不過，法列爾很清楚，要想將火箭發射上天，當時最好的選擇是效率高的液體火箭。所以，他便開始研制液氧和汽油作為推進劑的非冷卻式液體火箭發動機，尚未將發動機安裝到汽車上的靜態實驗也取得了一些初步成果。法列爾相信他能夠更好地改進發動機，增大推力。但為了盡快得到下一步的研究經費，法列爾和助手加班加點工作到深夜，計劃將發動機安裝到汽車上進行表演。就在安裝后表演之前的一次試車過程中，災難發生了，發動機產生爆炸，一塊碎鋼片擊中了正在駕駛汽車的法列爾的主動脈，救護人員趕到之前，法列爾便因失血過多而停止了呼吸，年僅35歲。

?圖1：法列爾和他的火箭汽車

法列爾雖然駕駛的是汽車，并非航天器，但他是為了實現星際航行的理想研制液體火箭而犧牲的，人們認為這可以算作是航天事業發展過程中的第一次死人事故。其實算什么都無所謂，天國里的法列爾早就該感到欣慰了，他對火箭研究的貢獻，他寫下的航天科普，他創建的航天協會，他的信念，他的理想，他的犧牲，都在歷史上留下了不可磨滅的痕跡，加速了人類登錄月球飛上太空的進程。

1960年10月24日，前蘇聯發生世界上最大的導彈實驗火災，直接奪去了前蘇聯炮兵主帥米·伊·涅杰林和大約100位（或許更多，據說有160名？）最高級火箭專業技術專家和軍人的生命。

?圖2：涅杰林災難

那正是美國和蘇聯激烈冷戰的時期，雙方在制造洲際導彈上較勁。蘇聯雖然在1957年就宣稱發射了世界第一枚洲際導彈P-7，但那是科羅寥夫從航天角度設計的，作為導彈，其命中精度差，實戰價值不高，為了抗衡美國，蘇聯委派揚格利領導的'南方設計局'承擔了P-16導彈的研制工作。

這一天是P-16導彈的第一次試驗，三天前導彈已被運到發射場，1天半前已經加注了燃料組分和壓縮氣體，但同時在例行檢查時也發現了幾個危險信號：高溫隔熱膜有問題，氣體發生器關斷閥門的引爆管也已經報廢。怎么辦呢？導彈注滿液態燃料后不能儲存太久，這是液體火箭相對于固體火箭的缺點，如果取消這次發射便意味著毀掉這枚導彈，經濟上蒙受巨大損失。況且，離慶祝十月革命紀念日只有兩個星期了，莫斯科對此急不可待，設計團隊當然也希望能給國慶日獻上一份重禮。因此，技術部門和軍方最后決定在不排放燃料組分的情況下，直接在發射陣地上盡量修復這些問題。發射時間延遲1天左右，至10月24日19點。

在茫茫沙漠灰蒙蒙的夜色中，負載著140噸重量、兩級彈體的白色火箭高聳入云，顯得頗為壯觀（圖2中）。涅杰林元帥大概不十分了解火箭試驗的危險性，就坐在離火箭發射臺20米左右的地方，幾百人屏心靜氣地等待那激動人心的一刻。

時間像是停滯不前，災難卻突然從天而降。事后據當時在掩蔽室里的一位幸存者描述說：

大火在燒盡了火箭燃料之后還持續了幾個小時，橫掃所有的可燃之物，包括來不及逃走的生命，也將許多儀器設備化為灰燼。涅杰林這位堂堂蘇維埃元帥、國防部副部長、衛國戰爭的英雄，葬身火海連尸骨都找不到，只有肩章和鑰匙等少量金屬物殘留下來，蘇聯對外則宣稱涅杰林死于飛機失事，掩蓋這次后來稱為“涅杰林災難”事故的真相幾十年直到戈爾巴喬夫時代。

事后調查認為：這次事故是由于火箭的第二級在發射前因故障而提前點火（起火）造成燃料外泄而產生了燃燒（再引起一連串的爆炸）而造成的。

人們都記得美國阿波羅11號飛船第一次載人登上月球時的輝煌，第一個踏上月球的人是尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong，1930年－2012年）。當年（1969年7月21日）他戰戰兢兢小心翼翼地用左腳第一次踏上了月球。他在月亮上邁出的一小步，象征著人類航天事業邁出的一大步。然而，并不是每個航天員都有如此的運氣，阿波羅計劃的第一艘--阿波羅1號在1967年1月27日進行一次例行測試的時候，尚未發射就突然發生大火，致使三名優秀的宇航員，在17秒內喪生。他們是（圖3）：

1.維吉爾·格里森（Gus Grissom，曾執行水星-紅石4號、雙子星3號以及阿波羅1號任務），指令長； 

2.愛德華·懷特（Edward White，曾執行雙子星4號以及阿波羅1號任務），高級駕駛員；

3.羅杰·查菲（Roger B. Chaffee，曾執行阿波羅1號任務），駕駛員。

?圖3：阿波羅1號災難

那是美國佛羅里達州卡納維拉爾角34號發射臺，阿波羅1號并不是要在當天發射，發射日定于二十幾天之后，那天的測試任務很簡單，叫做“拔除插頭”測試。目的是模擬當阿波羅1號飛船與火箭脫離之后，其內部的供電系統能夠繼續工作。在測試過程中，運載火箭和航天器都沒有裝載燃料，所有煙火系統都被禁用，被認為是一個沒有危險、很安全的常規測試步驟。

當時三名宇航員已經穿上宇航服全副武裝準備就緒，躺在土星IB號運載火箭頂部的阿波羅1號指令艙中，等待“拔除插頭”。地面控制站突然聽見航天員報告“駕駛艙內發生火警。”人們反應過來后卻來不及打開艙蓋，只經過短短的十幾秒鐘后，通話在一個痛楚的叫聲中結束了。

這是美國空間計劃中的第一次傷亡，在誰也沒料到會發生事故的情況下，事故卻發生了，到底是什么原因造成的火災呢？

雖然是未注燃料的模擬測試，航天器中的環境與平時的生活環境仍然大不一樣，在這次事故中起關鍵作用的是百分之百的氧氣環境。氧氣是人類生存的必要條件，但空氣中含氧太多太純卻容易造成危險，一個小小的火花便可能引起大災難。這次事故便是因為在太空船內總長度達50千米的電線某處產生的一個小火花引發的。在指令艙駕駛員座位下有一段鍍銀銅電線，經常與相關的掩門反復磨擦，使得電線的特氟龍絕緣保護被剝離了一部分，因此在工作時產生了小火花。艙內的純氧環境使得火花迅速蔓延不受控制，最后造成了災難。當然航天器的結構也有問題，諸如艙蓋難以打開這一類的應急措施也急需改進。

其實前蘇聯也發生過一次純氧環境中的類似事故。1961年3月，蘇聯航天員，加加林的好朋友邦達連科結束一次試驗后，用一個棉團蘸著酒精擦皮膚，擦完后，他將棉團隨手丟在了旁邊的小電爐上。在百分之百氧氣的隔絕氣壓倉里，小火苗立刻騰地竄起來，邦達連科瞬間變成火人，后搶救無效而死。此事故比阿波羅1號的災難早發生6年，但因為蘇聯嚴格保密，美國人毫不知情，否則也是有可能吸取一點教訓的。

1986年1月28日：美國挑戰者號航天飛機從卡納維拉爾角升空72秒后爆炸，包括一名普通女教師在內的7名美國宇航勇士喪生，見圖4a、圖4b。

?圖4：“挑戰者”號災難

航天飛機，是結合了飛機特點的航天器，目的是作為一種往返于地球與外層空間，可以多次重復使用的載人交通工具。它們的外形像飛機，有機翼，這樣在一定的情況下，比如返回地球大氣層降落的過程中，可以像飛機一樣產生升力，提供空氣剎車的作用降低墜落速度，方便安全使用。

在起飛時，航天飛機跟其他一次性使用的航天器一樣，用火箭動力垂直升入太空。挑戰號使用固體推進器達到這個目的。美國是唯一曾經用航天飛機載人入太空的國家，挑戰號是執行任務的第二艘航天飛機（第一個是哥倫比亞號），它成功地在地球和太空之間往返9次，共繞行地球987圈，在太空中總共停留過69天。不幸的是，卻在第10次任務起飛72秒后就解體爆炸了，讓7名太空人魂飛藍天。

那是一個特別寒冷的天。航天飛機升空42秒時，還看起來一切正常，航速已達每秒677米，高度8000米。50秒鐘時，曾有人發現航天器右側固體助推器附近冒出一絲絲白煙，但這個現象沒有引起人們的注意。在第72秒高度16600米時，太空突然閃出一團亮光，通訊中斷，地面監控器屏幕上數據消失，目擊者可見航天飛機已經變成一團火焰，兩枚失去控制的固體助推火箭脫離火球，成V字形噴著火向前飛去，眼看要掉入人口稠密的陸地，還好航天中心負責安全的軍官手疾眼快，在第100秒時，通過遙控裝置將它們引爆，避免了傷及更多其它的無辜。

挑戰者號失事了！價值12億美元的航天飛機，頃刻化為烏有，七名機組人員全部遇難，觀看的人群中哭聲一片。

經過周密細致的調查結果，產生事故的直接技術原因非常簡單，居然與當時發射時的天氣太寒冷、氣溫太低有關！

著名物理學家理查德·費曼（Richard Feynman，1918年－1988年）參與了這次事故調查，并向公眾演示了一個簡單的“冰水實驗”，用以解釋事故背后的物理原因，見圖4c。

在固態火箭推進器上，為了密封的目的，使用了幾個橡皮材料的O形環墊圈，旨在防止噴氣燃料的熱氣從聯接處泄露。由于航天飛機發射時氣溫過低，其中一個O形環失效。也就是說，低溫下橡膠失去了彈性，不能起到密封的作用。從而使得熾熱的氣體漏出，點燃了外部燃料罐中的燃料，并最后導致了爆炸的連鎖反應。

費曼將一個O型封環稍作擠壓后置入冰水內，放置一段時間后取出，發現橡膠環過了好幾秒鐘時間都不能恢復原來的形狀。這個生動的實驗演示說明了事故的原因。

實際上在發射之前已經有技術人員提過這個問題，未引起決策人的重視。另外，人們認為這種橡膠材料是用來承受燃燒熱氣而不是用來承受寒冷的，所以O形密封圈從來沒有在50°F以下測試過，種種管理上的失誤，導致慘劇發生。

哥倫比亞號是比挑戰者號更老的航天飛機，它體型龐大，機艙長18米，能裝運36噸重的貨物，價值40億美元，從1981年就開始服役。已經飛行28次，算是美國航天飛機中戰功卓著的老大哥。在挑戰者號“犧牲”17年之后，哥倫比亞號也走上類似的命運，在返回地球時出事，機上7名太空人全數罹難（圖5b）。

那是哥倫比亞號的最后一次任務。它于2003年1月16日升空，在太空中過了16天，7位太空人順利地完成了各自的科學考察任務，準備于2月1日返回地球，卻不料在最后一刻出事。

最慘的是航天員們的家屬，他們都在肯尼迪中心等待著觀看那激動人心的成功降落，迎接他們離別了16天的親人，卻看到了難以置信的悲慘一幕。

事故雖然發生在航天飛機的返回降落過程中，其原因為卻是在16天之前的發射過程中造成的。在航天飛機發射升空81.7秒后，外部燃料箱外表面掉落的一塊隔熱泡沫撞擊到飛機左翼前緣，損壞了航天飛機的防熱系統，形成裂孔，見圖5a。當航天飛機16天之后重返大氣層時，超高溫氣體得以從裂孔處進入“哥倫比亞”號機體，造成航天飛機解體，機毀人亡的悲劇。    

?圖5：（a）哥倫比亞號發射時的裂口（b）7位航天員

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