挑戰者號太空梭到底是如何爆掉的?(完整篇)

2021-01-09 匈奴狼山

瀚海狼山(匈奴狼山)前兩天的推文中,分別提到了太空梭和固體大型火箭。而過去同時具備這兩樣的大型飛行物就是超級大國的太空梭系統。因此要區分單純的太空梭軌道器和完整的太空梭系統的差異。單純的軌道器自然就是平時說的太空梭。但是單純這樣一個「飛機」是根本無法飛行的。只能從軌道上減速以後滑翔返回地面。在地面上進行轉場運輸還需要用其他的大型飛機馱著飛。因此完整的太空梭,應該算完整的太空梭系統。其實主要是由4大部件組成:第一就外觀可見的太空梭本身;第二是中間巨大的太空梭外掛燃料箱。這個燃料箱特別巨大,給外界感覺太空梭是掛在這個燃料箱上,當然事實也是如此。但是這個巨大的物體,就是個外皮很薄的易拉罐,基本相當於太空梭軌道器的「副油箱」。

只不過由於這個副油箱過於巨大,喧賓奪主之下,反倒顯得它成了這個組合體的假主體。這個外燃料罐外殼全重不到28噸,卻在內部裝填了760噸的液氧和液氫,因此確實是薄皮大餡,由此也是很大的安全隱患。這個巨大的燃料罐並沒有自己獨立的噴嘴,它仍然只是太空梭軌道器本身外掛的副油箱而已。另外一左一右比較明顯而且外形一致的,是2個巨型固體火箭助推器。每個全重590噸。都可以提供1250噸的推力,兩個合計提供2500噸的推力。這兩個固體助推器從發射臺開始工作,一直把太空梭綜合體送到45公裡的高空後完成任務,也就是固體燃料燒乾淨後分離。這2個固體助推器頂部有降落傘,外殼落海回收。然後太空梭帶著巨大的燃料罐繼續往上飛。即使整個燃料罐的液氫都燒完,此時整個組合體的速度仍然在7公裡每秒上下。

此時太空梭還不能入軌,必須依靠軌道器上本身的燃料和氧化劑再助推幾十秒才能達到入軌速度,因此太空梭算標準的1.5級入軌的飛行器。太空梭這個系統在使用的幾十年裡,發生了2次大事故,給人印象最深的自然是1986年的挑戰者號的凌空爆炸。事故原因是基本清楚的,但是網上大多數描述卻顛三倒四。狼山就把這個事情再捋一捋,看看有哪些要點需要注意。挑戰者號在起飛73秒以後,在距離地面16600米的高度爆炸。肇事的起因是右側的那個固體助推器燃氣洩露。但是爆炸之後,兩個助推器居然沒事一樣的繼續飛行。導致事故現場爆炸雲團上出現了著名的「角」。這就是那2個固體助推器繼續飛行的軌跡。只是發射監控部門擔心這兩個各自500噸的「大炮仗」,萬一落入人口密集區會引發嚴重後果,把它們2個在空中無線遙控引爆了而已。為何最早的肇事者沒爆,反倒太空梭當空炸成了碎片呢?這就要從2個固體助推器的設計和製造的先天強弱點開始講。

這2個590噸的助推器其實單個直徑3.7米,有60多米長,內裝500多噸澆築好的固體燃料。如此巨大的體量,既沒辦法一次澆築也沒辦法整體運輸。因此這2個助推器其實是一段一段的像釣魚竿一樣「插接」起來的。大約7米一段,外表是鋼殼,非常結實,這也是大爆炸都沒炸碎這兩者的原因之一。每段鋼殼雖然都很堅固,但是每段鋼殼之間的接縫處卻容易洩露高溫高壓燃氣。於是用了最簡單的辦法,就是在這些縫隙上套上了2層橡膠圈。等於是簡單的用兩道「猴皮筋」來堵高溫高壓燃氣,這麼做其實早晚要出大問題!原因也很簡單,僅僅用兩層橡膠圈來強行封堵溫度超過2500攝氏度,壓力驚人的高速燃氣,這不是開玩笑嗎。因此即使在挑戰者號爆炸前,生產和重複裝填2枚固體大火箭的廠家,已經發現內圈的橡膠密封圈基本每次發射都被高溫徹底融化的危險現象。以前燃氣沒有洩露。第一靠外圈的第二層橡膠圈還沒有失效;第二靠固體燃料劇烈燃燒時。

在固體大火箭的內部,臨時形成了一層鋁氧化物熔渣,等於是自帶一定的密封隔熱性質,但是這層熔渣並不穩定,遇到猛烈的振動就會自然脫落。因此過去發射,固體大火箭沒有嚴重洩漏高壓高溫燃氣其實都是偶然的,最終出問題才是必然的。一旦固體大火箭的高溫高壓燃氣洩漏,就會嚴重的幹擾和加熱旁邊和易拉罐一樣薄弱的大型燃料箱,讓裡面的低溫液氧和液氫迅速沸騰膨脹,超過外殼的壓力承受極限爆裂,早晚會引發系列大爆炸。而在1986年1月29日的發射當天,本來一向炎熱的佛羅裡達州的卡納維拉爾角,氣溫居然下降到了零下5攝氏度。在空曠的發射架上,實際氣溫更下降到零下十幾度。本來就很脆弱的橡膠密封圈在低溫下基本失效。兩名參與製造固體火箭的工程師事先提出了警告。但是該公司的上層並沒有接納這些建議,最終發射還是被放行。兩名工程師甚至認為整個飛行體一開始點火就會炸在發射臺上。

不過開始點火後似乎一切正常,當組合體飛到高度8000米,瞬間航速已達每秒677米,突破了音障。50秒鐘時,地面曾有人發現太空梭右側固體助推器側部冒出一絲絲黑煙,這說明密封失效的狀況已經開始。52秒時,地面指揮中心通知太空梭上的指令長將發動機恢復全速。59秒時,高度10000米,主發動機已全速工作,助推器已燃燒了近450噸固體燃料。此時,地面控制中心和太空梭上的計算機上顯示的各種數據都未見任何異常。65秒時,指令長向地面報告「主發動機已加大」。「明白,全速前進」是地面測控中心收聽到的最後一句報告。第73秒時,高度16600米,太空梭組合體突然閃出一團亮光,外掛燃料箱凌空爆炸,太空梭軌道器本體被瞬間炸得粉碎,與地面的通訊中斷,監控中心屏幕上的數據全部消失。挑戰者號變成了一團大火。反倒兩枚失去控制的固體助推火箭,基本沒有受到爆炸的影響,包括最初肇事的那枚右側的固體火箭。兩者快速脫離火球。像2隻角一樣向前飛去,在第100秒時,安全官通過遙控裝置將它們2個也當空引爆了。

由於挑戰者號太空梭的軌道器本體在第一次爆炸的當時已經被整體炸碎,即使乘員艙部分完整,也無法讓上面的7名成員生還。大量的空中碎片整整降落了一個多小時。隨後搜救展開。事後調查表面:發射時現場氣溫過低,發射臺上已經結冰,造成固定右副燃料艙的橡膠密封環硬化、失效。固體大火箭的燃料中添加了鋁粉,燃燒形成的鋁渣堵住了裂縫,在明火衝出裂縫前臨時替代了橡膠密封環的密封作用。不過挑戰者號大限將近,另一個自然的不利要素讓最後一點僥倖也不復存在。這就是在組合體飛到大約1萬米的高度時,遇到了風速瞬間超過60米每秒的高空湍流,相當於5級颱風的風速。引發了組合體的強烈位移和劇烈的顫振。太空梭的尾流也瞬間成了Z形,說明這股高空強氣流確實存在。猛烈風吹造成的內部振蕩,讓固體大火箭內部的鋁渣防護層也最終脫離,高溫噴流不斷的噴射洩露,加熱旁邊主燃料罐內部的液氧,

薄弱的燃料罐在高壓下瞬間破裂,數百噸液氫和液氧被瞬間點燃引發了大爆炸。其實在發射前不到30分鐘,從附近萬米高空飛過的一下757已經報告有劇烈湍流的存在,但是發射中心並沒有當回事,最後一次機會也錯過了。那麼為何猛烈的爆炸沒有當即摧毀2枚固體火箭。反倒把太空梭本身炸碎了呢?按照瀚海狼山(匈奴狼山)個人的分析。在爆炸前,固體火箭和大燃料罐整體的連接已經鬆動,而且固體大火箭的鋼外殼也比較結實。因此爆炸並沒有破壞這兩者,甚至最早肇事的右側火箭都沒有破損。這也說明,如果載人艙是在組合體的頂端,並且有瞬間逃逸火箭可用,那麼即使發生凌空大爆炸,成員仍然有逃逸返回的可能。而太空梭本身被當即炸碎,有兩個原因:一個是掛載的位置比較低,是燃料罐大爆炸的主要威力區。另外一點可能更重要,就是太空梭的燃料系統和燃料罐其實是一體的。燃料罐爆裂爆炸後,也瞬間把太空梭軌道器自身內部的液氧和液氫也一起引爆了。等於爆炸同時在軌道器內部發生,這樣的挑戰者號,絕無逃出升天的可能。

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