四虎影视214hu永久免费观看,性欧美videofree高清69,性色av免费观看

魂系太空——航天史上的事故 | 星星背后的物理（十八）

2016/12/15

導讀

太空探索的道路并非平坦，人類前進的步伐中，處處可見開拓者們的斑斑血跡。

?1986年1月28日，挑戰(zhàn)者號航天飛機由于發(fā)射時右側(cè)的航天飛機固體助推器的O型環(huán)碎裂，在發(fā)射后第73秒時解體并導致參與STS-51-L任務(wù)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(fā)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(zhàn)者號出事前，航天飛機已有24次的任務(wù)成功經(jīng)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(zhàn)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(fā)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?zhí)烊兀绹轮荽髮W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）

●　●　●

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(fā)生，事故和災(zāi)難在所難免。

航天的發(fā)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(chǎn)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(fā)生意外容易爆炸的物質(zhì)。

第一位犧牲者

在火箭發(fā)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(qū)，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(shè)施探索宇宙空間》奠定了火箭及航天的理論基礎(chǔ)之后，世界各地涌現(xiàn)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(zhàn)期間為納粹帝國研制V2導彈，后來又成功幫助美國實現(xiàn)阿波羅登月。

法列爾在大學時學物理，后因第一次世界大戰(zhàn)時服務(wù)于奧匈帝國的空軍而中斷學習。戰(zhàn)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(xiàn)飛上太空的夢想，法利爾和一位航空工程師溫克勒一起，創(chuàng)建了《德國星際航行協(xié)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(xié)會的初衷是研發(fā)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(jīng)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(fā)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(fā)動機，尚未將發(fā)動機安裝到汽車上的靜態(tài)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(fā)動機，增大推力。但為了盡快得到下一步的研究經(jīng)費，法列爾和助手加班加點工作到深夜，計劃將發(fā)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(zāi)難發(fā)生了，發(fā)動機產(chǎn)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(xiàn)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(yè)發(fā)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(chuàng)建的航天協(xié)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。

死人最多的導彈試驗慘劇

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

?圖2：涅杰林災(zāi)難

那正是美國和蘇聯(lián)激烈冷戰(zhàn)的時期，雙方在制造洲際導彈上較勁。蘇聯(lián)雖然在1957年就宣稱發(fā)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(shè)計的，作為導彈，其命中精度差，實戰(zhàn)價值不高，為了抗衡美國，蘇聯(lián)委派揚格利領(lǐng)導的"南方設(shè)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(fā)射場，1天半前已經(jīng)加注了燃料組分和壓縮氣體，但同時在例行檢查時也發(fā)現(xiàn)了幾個危險信號：高溫隔熱膜有問題，氣體發(fā)生器關(guān)斷閥門的引爆管也已經(jīng)報廢。怎么辦呢？導彈注滿液態(tài)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(fā)射便意味著毀掉這枚導彈，經(jīng)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(shè)計團隊當然也希望能給國慶日獻上一份重禮。因此，技術(shù)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(fā)射陣地上盡量修復這些問題。發(fā)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(fā)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(zāi)難卻突然從天而降。事后據(jù)當時在掩蔽室里的一位幸存者描述說：

突然，某種類似爆炸的劇烈轟鳴聲傳進耳里，我們飛也似地跑進控制室，看到軍官塔蘭和工程師巴比岳克目光呆滯，面如土色。我撲向朝外的觀察透鏡，看到的是一幅令人毛骨悚然的景象：導彈已經(jīng)完全被火焰吞噬，爆炸性燃燒如同雪崩一樣，發(fā)射陣地變成了噴火的地獄。

大火在燒盡了火箭燃料之后還持續(xù)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(shè)備化為灰燼。涅杰林這位堂堂蘇維埃元帥、國防部副部長、衛(wèi)國戰(zhàn)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(lián)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(zāi)難”事故的真相幾十年直到戈爾巴喬夫時代。

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

小火花成大禍

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(zhàn)戰(zhàn)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(yè)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(fā)射就突然發(fā)生大火，致使三名優(yōu)秀的宇航員，在17秒內(nèi)喪生。他們是（圖3）：

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

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

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

?圖3：阿波羅1號災(zāi)難

那是美國佛羅里達州卡納維拉爾角34號發(fā)射臺，阿波羅1號并不是要在當天發(fā)射，發(fā)射日定于二十幾天之后，那天的測試任務(wù)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(nèi)部的供電系統(tǒng)能夠繼續(xù)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(tǒng)都被禁用，被認為是一個沒有危險、很安全的常規(guī)測試步驟。

當時三名宇航員已經(jīng)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(nèi)發(fā)生火警?！比藗兎磻?yīng)過來后卻來不及打開艙蓋，只經(jīng)過短短的十幾秒鐘后，通話在一個痛楚的叫聲中結(jié)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(fā)生事故的情況下，事故卻發(fā)生了，到底是什么原因造成的火災(zāi)呢？

雖然是未注燃料的模擬測試，航天器中的環(huán)境與平時的生活環(huán)境仍然大不一樣，在這次事故中起關(guān)鍵作用的是百分之百的氧氣環(huán)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(zāi)難。這次事故便是因為在太空船內(nèi)總長度達50千米的電線某處產(chǎn)生的一個小火花引發(fā)的。在指令艙駕駛員座位下有一段鍍銀銅電線，經(jīng)常與相關(guān)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(chǎn)生了小火花。艙內(nèi)的純氧環(huán)境使得火花迅速蔓延不受控制，最后造成了災(zāi)難。當然航天器的結(jié)構(gòu)也有問題，諸如艙蓋難以打開這一類的應(yīng)急措施也急需改進。

其實前蘇聯(lián)也發(fā)生過一次純氧環(huán)境中的類似事故。1961年3月，蘇聯(lián)航天員，加加林的好朋友邦達連科結(jié)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(zāi)難早發(fā)生6年，但因為蘇聯(lián)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。

小小O型環(huán)造成的災(zāi)難

1986年1月28日：美國挑戰(zhàn)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(nèi)的7名美國宇航勇士喪生，見圖4a、圖4b。

?圖4：“挑戰(zhàn)者”號災(zāi)難

航天飛機，是結(jié)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(chǎn)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(zhàn)號使用固體推進器達到這個目的。美國是唯一曾經(jīng)用航天飛機載人入太空的國家，挑戰(zhàn)號是執(zhí)行任務(wù)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(wù)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(fā)現(xiàn)航天器右側(cè)固體助推器附近冒出一絲絲白煙，但這個現(xiàn)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(jiān)控器屏幕上數(shù)據(jù)消失，目擊者可見航天飛機已經(jīng)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(zhàn)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(jīng)過周密細致的調(diào)查結(jié)果，產(chǎn)生事故的直接技術(shù)原因非常簡單，居然與當時發(fā)射時的天氣太寒冷、氣溫太低有關(guān)！

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(diào)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(tài)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(huán)墊圈，旨在防止噴氣燃料的熱氣從聯(lián)接處泄露。由于航天飛機發(fā)射時氣溫過低，其中一個O形環(huán)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(yīng)。

費曼將一個O型封環(huán)稍作擠壓后置入冰水內(nèi)，放置一段時間后取出，發(fā)現(xiàn)橡膠環(huán)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(fā)射之前已經(jīng)有技術(shù)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(shè)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(fā)生。

哥倫比亞號災(zāi)難

哥倫比亞號是比挑戰(zhàn)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(jīng)飛行28次，算是美國航天飛機中戰(zhàn)功卓著的老大哥。在挑戰(zhàn)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(shù)罹難（圖5b）。

那是哥倫比亞號的最后一次任務(wù)。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(wù)，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(fā)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(fā)射過程中造成的。在航天飛機發(fā)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(tǒng)，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。