魂系太空——航天史上的事故 | 星星背后的物理（十八）-资讯-知识分子

魂系太空——航天史上的事故 | 星星背后的物理（十八）

2016/12/15

导读

太空探索的道路并非平坦，人类前进的步伐中，处处可见开拓者们的斑斑血迹。

►1986年1月28日，挑战者号航天飞机由于发射时右侧的航天飞机固体助推器的O型环碎裂，在发射后第73秒时解体并导致参与STS-51-L任务的所有7名成员罹难。来源：NASA

在这张照片中可以见到分离的航天飞机主发动机和固体火箭助推器在烟雾包围下飞出，而球状气体的烟尘则是外部燃料舱所制造的。由于在挑战者号出事前，航天飞机已有24次的任务成功经验，并宣告美国已脱离使用火箭的年代，人们在电视上见到挑战者号的机体分解时都感到十分震惊，甚至许多人仍无法相信航天飞机会发生意外，直到美国国家航空航天局出来证实这项悲剧事故。

撰文 | 张天蓉（美国德州大学奥斯汀分校理论物理博士）

责编 | 寒凌旭

审校 | 张双南（中国科学院高能物理研究所研究员）

郑永春（中国科学院国家天文台副研究员）

●　●　●

太空探索的道路并不平坦，人类前进的步伐中，处处可见开拓者们的斑斑血迹。太空是一个人类知识还很缺乏的疆域，死人的事时有发生，事故和灾难在所难免。

航天的发展首先基于火箭的研究，火箭的工作原理是依靠燃料燃烧释放出的强大化学能而产生的反冲力。燃料可以是固体（比如炸药），或者液体（比如汽油），读者一听便知，这两者都是有可能发生意外容易爆炸的物质。

第一位牺牲者

在火箭发动机的研究中，谁是第一个牺牲者呢？那是一个鲜为人知的名字。

马克斯·法列尔（Max Valier，1895年 - 1930年）是奥地利的火箭先驱，也是一位科普作家。自从齐奥尔科夫斯基1903年的论文《利用反作用力设施探索宇宙空间》奠定了火箭及航天的理论基础之后，世界各地涌现出一批研究火箭的热心追随者，美国有戈达德，德国有火箭专家布劳恩的老师--奥伯特。布劳恩二战期间为纳粹帝国研制V2导弹，后来又成功帮助美国实现阿波罗登月。

法列尔在大学时学物理，后因第一次世界大战时服务于奥匈帝国的空军而中断学习。战后他留在德国，十分欣赏奥伯特的著作《飞往星际空间的火箭》，并将它改写成了一本更为通俗的科普作品，取名《冲入太空》，这本书之后又被另一位年轻人，学生物的大学生威利·李改写成了一个他自己的版本。为了聚集民间的力量，研制出实用的火箭，实现飞上太空的梦想，法利尔和一位航空工程师温克勒一起，创建了《德国星际航行协会》，威利·李、以及后来的布劳恩等，都一度成为其中活跃的骨干分子。

协会的初衷是研发及制造火箭旅行太空，但由于资金缺乏，太空之梦太遥远不现实，难以得到富商的赞助。法列尔便想办法去说服了一位富有又好大喜功的汽车制造商，鼓动他出资研究制造火箭动力汽车，反正对汽车火箭发动机的研究后来也可以用在航天器上。在这个项目中，法列尔首先研制出了一种固体火箭发动机，将它安装在汽车尾部，取得了一定的成功。法列尔高兴地驾驶着经过他改进的火箭汽车，速度最高达到了每小时112公里，这在当时是一个了不起的进步，法列尔和那位商人都为此风光一时，见图1。

不过，法列尔很清楚，要想将火箭发射上天，当时最好的选择是效率高的液体火箭。所以，他便开始研制液氧和汽油作为推进剂的非冷却式液体火箭发动机，尚未将发动机安装到汽车上的静态实验也取得了一些初步成果。法列尔相信他能够更好地改进发动机，增大推力。但为了尽快得到下一步的研究经费，法列尔和助手加班加点工作到深夜，计划将发动机安装到汽车上进行表演。就在安装后表演之前的一次试车过程中，灾难发生了，发动机产生爆炸，一块碎钢片击中了正在驾驶汽车的法列尔的主动脉，救护人员赶到之前，法列尔便因失血过多而停止了呼吸，年仅35岁。

►图1：法列尔和他的火箭汽车

法列尔虽然驾驶的是汽车，并非航天器，但他是为了实现星际航行的理想研制液体火箭而牺牲的，人们认为这可以算作是航天事业发展过程中的第一次死人事故。其实算什么都无所谓，天国里的法列尔早就该感到欣慰了，他对火箭研究的贡献，他写下的航天科普，他创建的航天协会，他的信念，他的理想，他的牺牲，都在历史上留下了不可磨灭的痕迹，加速了人类登录月球飞上太空的进程。

死人最多的导弹试验惨剧

1960年10月24日，前苏联发生世界上最大的导弹实验火灾，直接夺去了前苏联炮兵主帅米·伊·涅杰林和大约100位（或许更多，据说有160名？）最高级火箭专业技术专家和军人的生命。

►图2：涅杰林灾难

那正是美国和苏联激烈冷战的时期，双方在制造洲际导弹上较劲。苏联虽然在1957年就宣称发射了世界第一枚洲际导弹P-7，但那是科罗寥夫从航天角度设计的，作为导弹，其命中精度差，实战价值不高，为了抗衡美国，苏联委派扬格利领导的"南方设计局"承担了P-16导弹的研制工作。

这一天是P-16导弹的第一次试验，三天前导弹已被运到发射场，1天半前已经加注了燃料组分和压缩气体，但同时在例行检查时也发现了几个危险信号：高温隔热膜有问题，气体发生器关断阀门的引爆管也已经报废。怎么办呢？导弹注满液态燃料后不能储存太久，这是液体火箭相对于固体火箭的缺点，如果取消这次发射便意味着毁掉这枚导弹，经济上蒙受巨大损失。况且，离庆祝十月革命纪念日只有两个星期了，莫斯科对此急不可待，设计团队当然也希望能给国庆日献上一份重礼。因此，技术部门和军方最后决定在不排放燃料组分的情况下，直接在发射阵地上尽量修复这些问题。发射时间延迟1天左右，至10月24日19点。

在茫茫沙漠灰蒙蒙的夜色中，负载着140吨重量、两级弹体的白色火箭高耸入云，显得颇为壮观（图2中）。涅杰林元帅大概不十分了解火箭试验的危险性，就坐在离火箭发射台20米左右的地方，几百人屏心静气地等待那激动人心的一刻。

时间像是停滞不前，灾难却突然从天而降。事后据当时在掩蔽室里的一位幸存者描述说：

突然，某种类似爆炸的剧烈轰鸣声传进耳里，我们飞也似地跑进控制室，看到军官塔兰和工程师巴比岳克目光呆滞，面如土色。我扑向朝外的观察透镜，看到的是一幅令人毛骨悚然的景象：导弹已经完全被火焰吞噬，爆炸性燃烧如同雪崩一样，发射阵地变成了喷火的地狱。

大火在烧尽了火箭燃料之后还持续了几个小时，横扫所有的可燃之物，包括来不及逃走的生命，也将许多仪器设备化为灰烬。涅杰林这位堂堂苏维埃元帅、国防部副部长、卫国战争的英雄，葬身火海连尸骨都找不到，只有肩章和钥匙等少量金属物残留下来，苏联对外则宣称涅杰林死于飞机失事，掩盖这次后来称为“涅杰林灾难”事故的真相几十年直到戈尔巴乔夫时代。

事后调查认为：这次事故是由于火箭的第二级在发射前因故障而提前点火（起火）造成燃料外泄而产生了燃烧（再引起一连串的爆炸）而造成的。

小火花成大祸

人们都记得美国阿波罗11号飞船第一次载人登上月球时的辉煌，第一个踏上月球的人是尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong，1930年－2012年）。当年（1969年7月21日）他战战兢兢小心翼翼地用左脚第一次踏上了月球。他在月亮上迈出的一小步，象征着人类航天事业迈出的一大步。然而，并不是每个航天员都有如此的运气，阿波罗计划的第一艘--阿波罗1号在1967年1月27日进行一次例行测试的时候，尚未发射就突然发生大火，致使三名优秀的宇航员，在17秒内丧生。他们是（图3）：

1.维吉尔·格里森（Gus Grissom，曾执行水星-红石4号、双子星3号以及阿波罗1号任务），指令长；

2.爱德华·怀特（Edward White，曾执行双子星4号以及阿波罗1号任务），高级驾驶员；

3.罗杰·查菲（Roger B. Chaffee，曾执行阿波罗1号任务），驾驶员。

►图3：阿波罗1号灾难

那是美国佛罗里达州卡纳维拉尔角34号发射台，阿波罗1号并不是要在当天发射，发射日定于二十几天之后，那天的测试任务很简单，叫做“拔除插头”测试。目的是模拟当阿波罗1号飞船与火箭脱离之后，其内部的供电系统能够继续工作。在测试过程中，运载火箭和航天器都没有装载燃料，所有烟火系统都被禁用，被认为是一个没有危险、很安全的常规测试步骤。

当时三名宇航员已经穿上宇航服全副武装准备就绪，躺在土星IB号运载火箭顶部的阿波罗1号指令舱中，等待“拔除插头”。地面控制站突然听见航天员报告“驾驶舱内发生火警。”人们反应过来后却来不及打开舱盖，只经过短短的十几秒钟后，通话在一个痛楚的叫声中结束了。

这是美国空间计划中的第一次伤亡，在谁也没料到会发生事故的情况下，事故却发生了，到底是什么原因造成的火灾呢？

虽然是未注燃料的模拟测试，航天器中的环境与平时的生活环境仍然大不一样，在这次事故中起关键作用的是百分之百的氧气环境。氧气是人类生存的必要条件，但空气中含氧太多太纯却容易造成危险，一个小小的火花便可能引起大灾难。这次事故便是因为在太空船内总长度达50千米的电线某处产生的一个小火花引发的。在指令舱驾驶员座位下有一段镀银铜电线，经常与相关的掩门反复磨擦，使得电线的特氟龙绝缘保护被剥离了一部分，因此在工作时产生了小火花。舱内的纯氧环境使得火花迅速蔓延不受控制，最后造成了灾难。当然航天器的结构也有问题，诸如舱盖难以打开这一类的应急措施也急需改进。

其实前苏联也发生过一次纯氧环境中的类似事故。1961年3月，苏联航天员，加加林的好朋友邦达连科结束一次试验后，用一个棉团蘸着酒精擦皮肤，擦完后，他将棉团随手丢在了旁边的小电炉上。在百分之百氧气的隔绝气压仓里，小火苗立刻腾地窜起来，邦达连科瞬间变成火人，后抢救无效而死。此事故比阿波罗1号的灾难早发生6年，但因为苏联严格保密，美国人毫不知情，否则也是有可能吸取一点教训的。

小小O型环造成的灾难

1986年1月28日：美国挑战者号航天飞机从卡纳维拉尔角升空72秒后爆炸，包括一名普通女教师在内的7名美国宇航勇士丧生，见图4a、图4b。

►图4：“挑战者”号灾难

航天飞机，是结合了飞机特点的航天器，目的是作为一种往返于地球与外层空间，可以多次重复使用的载人交通工具。它们的外形像飞机，有机翼，这样在一定的情况下，比如返回地球大气层降落的过程中，可以像飞机一样产生升力，提供空气刹车的作用降低坠落速度，方便安全使用。

在起飞时，航天飞机跟其他一次性使用的航天器一样，用火箭动力垂直升入太空。挑战号使用固体推进器达到这个目的。美国是唯一曾经用航天飞机载人入太空的国家，挑战号是执行任务的第二艘航天飞机（第一个是哥伦比亚号），它成功地在地球和太空之间往返9次，共绕行地球987圈，在太空中总共停留过69天。不幸的是，却在第10次任务起飞72秒后就解体爆炸了，让7名太空人魂飞蓝天。

那是一个特别寒冷的天。航天飞机升空42秒时，还看起来一切正常，航速已达每秒677米，高度8000米。50秒钟时，曾有人发现航天器右侧固体助推器附近冒出一丝丝白烟，但这个现象没有引起人们的注意。在第72秒高度16600米时，太空突然闪出一团亮光，通讯中断，地面监控器屏幕上数据消失，目击者可见航天飞机已经变成一团火焰，两枚失去控制的固体助推火箭脱离火球，成V字形喷着火向前飞去，眼看要掉入人口稠密的陆地，还好航天中心负责安全的军官手疾眼快，在第100秒时，通过遥控装置将它们引爆，避免了伤及更多其它的无辜。

挑战者号失事了！价值12亿美元的航天飞机，顷刻化为乌有，七名机组人员全部遇难，观看的人群中哭声一片。

经过周密细致的调查结果，产生事故的直接技术原因非常简单，居然与当时发射时的天气太寒冷、气温太低有关！

著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman，1918年－1988年）参与了这次事故调查，并向公众演示了一个简单的“冰水实验”，用以解释事故背后的物理原因，见图4c。

在固态火箭推进器上，为了密封的目的，使用了几个橡皮材料的O形环垫圈，旨在防止喷气燃料的热气从联接处泄露。由于航天飞机发射时气温过低，其中一个O形环失效。也就是说，低温下橡胶失去了弹性，不能起到密封的作用。从而使得炽热的气体漏出，点燃了外部燃料罐中的燃料，并最后导致了爆炸的连锁反应。

费曼将一个O型封环稍作挤压后置入冰水内，放置一段时间后取出，发现橡胶环过了好几秒钟时间都不能恢复原来的形状。这个生动的实验演示说明了事故的原因。

实际上在发射之前已经有技术人员提过这个问题，未引起决策人的重视。另外，人们认为这种橡胶材料是用来承受燃烧热气而不是用来承受寒冷的，所以O形密封圈从来没有在50°F以下测试过，种种管理上的失误，导致惨剧发生。

哥伦比亚号灾难

哥伦比亚号是比挑战者号更老的航天飞机，它体型庞大，机舱长18米，能装运36吨重的货物，价值40亿美元，从1981年就开始服役。已经飞行28次，算是美国航天飞机中战功卓著的老大哥。在挑战者号“牺牲”17年之后，哥伦比亚号也走上类似的命运，在返回地球时出事，机上7名太空人全数罹难（图5b）。

那是哥伦比亚号的最后一次任务。它于2003年1月16日升空，在太空中过了16天，7位太空人顺利地完成了各自的科学考察任务，准备于2月1日返回地球，却不料在最后一刻出事。

最惨的是航天员们的家属，他们都在肯尼迪中心等待着观看那激动人心的成功降落，迎接他们离别了16天的亲人，却看到了难以置信的悲惨一幕。

事故虽然发生在航天飞机的返回降落过程中，其原因为却是在16天之前的发射过程中造成的。在航天飞机发射升空81.7秒后，外部燃料箱外表面掉落的一块隔热泡沫撞击到飞机左翼前缘，损坏了航天飞机的防热系统，形成裂孔，见图5a。当航天飞机16天之后重返大气层时，超高温气体得以从裂孔处进入“哥伦比亚”号机体，造成航天飞机解体，机毁人亡的悲剧。