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航天史:62.失效的O形環

科學 科學史評話吳京平

航天史:62.失效的O形環

上一次,我們講到了挑戰者號在空中解體爆炸,而且還是在眾目睽睽之下。因為航天飛機的發射次數已經不少了,所以當時只有很少的電視臺做了直播。但是因為這次飛行任務有一個平民女教師麥考利夫的參與,大家的興趣還是蠻高的。而且,很多公立學校的學生都在教室收看直播,所以這次事故的傳播面還是很廣的。很快,全美國就都知道了。

因為這事兒太大了,已經不是NASA內部的事物,所以總統認命了一個調查委員會。由前國務卿羅傑斯牽頭,所以也叫羅傑斯委員會,各個委員都是方方面面有代表性的人物。有工程技術背景的佔了很大大的比例。不過領頭的羅傑斯是個徹底的政客。

航天史:62.失效的O形環

羅傑斯委員會成員,中間的就是羅傑斯

這裡面最特殊的一個就是諾獎得主,物理學家理查德·費曼。這個人的脾氣跟大家實在是不太一樣。他有個學生在NASA當主管,就把他給請來了。費曼在加州理工學院活的挺滋潤的。一天到晚穿個襯衫,穿個t恤就滿街溜達。去了華盛頓要穿西裝打領帶,他特別不爽。而且他實在不想跟這幫官僚機構打交道。還是他的妻子勸他,如果他不去的話,羅傑斯委員會12個人。肯定是一天到晚從東跑到西,從西跑到東,開起會來沒完沒了,最後也調查不出什麼名堂。如果費曼去了,肯定是11個人一天到晚從西跑到東,從東跑到西,開起會來沒完沒了,費曼老哥兒1個自己下基層瞎溜達,說不定就能調查到真正的原因。

費曼一想,老婆言之有理,於是他就收拾起行李去了華盛頓。你要知道費曼做出這個決定並不容易,這時候他已經68歲了,而且患有兩種癌症,分別是脂肪肉瘤和巨球蛋白血癥。有可能跟當年參與原子彈項目的時候接觸過放射性物質有關係。1978年的時候,費曼突然腹痛難忍,後來經過醫院檢查,他得了脂肪肉瘤,這是一種罕見的腫瘤,據說醫生給他切除了一個足球大小的瘤子,但是發現癌細胞已經侵入了脾臟和一個腎臟。

航天史:62.失效的O形環

1979年,理查德·費曼在加州州立大學長灘分校講課

過了3年,也就是1981年10月,費曼去醫院複查,又發現腹部的癌腫重新出來了,並且和腸子纏繞在一起。只能安排第2次手術,結果發生了主動脈破裂。這種情況異常兇險,病人很容易因為大出血而下不了手術檯。當消息傳到加州理工校園的時候,好幾百的學生往醫院趕啊,爭著為敬愛的教授獻血。一共獻了40升血,才把費曼的命給救回來,手術做了14小時才結束。

此後,費曼的身體好一點,病情算是平穩了幾年,所以說,此時的費曼是帶著一身病參與挑戰者號事故調查的。費曼和委員會的其他人一起參加各種會議,開各種聽證會。費曼哪裡憋得住呢?就在辦公室裡搞這些沒完沒了的程序,根本就無法切中要害。所以,費曼一個人走了,下基層了。他把NASA下屬的各個航天中心跑了一遍,果然發現了一些問題。

航天史:62.失效的O形環

費曼在查看航天飛機殘骸

NASA認為,航天飛機是很安全的一種飛行器,事故率只有0.001%,工程師們可不這麼認為,他們認為起碼有1%,這兩個數字可以說是天差地別。如果真的像NASA領導們所認為的,只有0.001%,那麼航天飛機飛300也才會出1次事故。現在顯然是被打臉嘛,這才幾年啊,就出了挑戰者號這麼大的事兒?

航天飛機的助推器是固體火箭。這兩個助推器的安全性是根據過去的經驗推算出來的。在2900次飛行裡,出現過121次失敗,所以概率是4%,有些問題已經解決了,這個概率可以降到2%。因為航天飛機是載人項目。用的材料和元器件都是精工細作的,所以,失敗概率會下降到1%左右,這個推算倒是合理的。NASA的估算比這低了1000倍,這都是怎麼估出來的?

某次飛行,儘管航天飛機安全的返航了,但是發現密封環壞掉1/3,這些領導們認為,這沒什麼,既然壞掉1/3,航天飛機還能安全回來,這說明我們的設計是有夠冗餘的,沒關係。

費曼的鼻子差點氣歪了,要說這數學是體育老師教的,恐怕都冤枉體育老師。道理很簡單,比如你闖紅燈橫穿馬路成功了,你沒被撞死,於是你說這沒什麼,闖紅燈是安全的,這真是安全的嗎?這是玩兒命好吧!道理大家都懂啊,可是真執行起來,就不是那麼回事兒了。

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挑戰者號殘骸

反正,費曼到處跑來跑去,總是特立獨行,發現了一大堆的細節,可以說都是隱患。但是並沒有找到挑戰者號爆炸的直接原因。比如說,火箭掙脫固定用的螺栓,氫氣排放臂按理說應該從外儲箱收回,但卻沒有成功,這是一個BUG。不過仔細看錄像回放,排放臂也沒有再觸及其他部分,所以,這並不是導致事故的原因。後期檢查發射臺時,也發現4顆螺栓的反衝彈簧沒了,不知道哪裡去了,但是這事兒和挑戰者號爆炸也沒有直接的關係。說到底,航天飛機這麼複雜的一個系統,你說一定問題也不出,那是不可能的。沒辦法就只能帶著這些BUG上天,但願不要出大事。

反正費曼的行為弄得羅傑斯很頭疼。但是,費曼和其他人倒是成了朋友。特別是跟丘提納關係不錯。一個週末,丘提納給費曼打了個電話。一開始聊的還是不重要的事兒,告訴他明天要開會。費曼特別不喜歡開會,經常不去,羅傑斯已經受不了了,讓丘提納提醒他一聲。

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火箭發射架上結了冰

但是,丘提納話鋒一轉,提到另外一件事,他說今天早上他在修汽車的噴油嘴時想到,航天飛機起飛的那天是佛羅裡達罕見的冷天,大約是攝氏零下3~4度。以往的發射,最冷的一天也不過是攝氏12度,大冷天對O形環會有什麼影響?費曼馬上就明白了,低溫會使得橡膠失去彈性。

星期一,丘提納和費曼去找了NASA的格雷姆,這個格雷姆是費曼的學生,正是他把費曼推薦到羅傑斯委員會的。所以,費曼大事小事兒都找他。想找他要一份有關O形環和溫度相關的資料。格雷姆手頭也沒有啊,於是他批了個條子,讓下面的人去找相關的資料。

航天史:62.失效的O形環

這幾個人在辦公室看事故發生時的照片,看看出問題的地方到底在哪兒。在航天飛機的助推器上有個小孔叫洩露測試孔,可以從這裡測試整個火箭的密封性。如果前面O形環失效了,這個孔沒有完全閉合,那麼高壓燃氣就會從這裡洩露出來,災難也就不可避免了。

星期一不是要開會嘛,開會的具體內容也跟這個O形環有關係。這次是NASA的財務部門提供了一個情況,工程師們抱怨這個O形環總是出問題。需要改進和更換,這是一大筆錢,財務部門要算賬報批。看來這個O形環有問題,不但下邊的工程師知道,其實上級也知道,只是他們把頭埋在沙子裡,裝不知道罷了。說白了,還是僥倖心理。

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固體助推器側面早就開始冒黑煙了

航天飛機是一個異常龐大的複雜系統,不能消滅所有的BUG,有點小BUG不要緊的。但是,有些BUG是要命的。會議的後半截展示了一些新的照片,大家發現,在航天飛機發射的時候,就已經有一些黑煙冒出來了。正是在洩漏測試孔那個位置。看來已經縮小了包圍圈,十有八九就是這裡出了問題。

就在這時候,承包商莫頓公司的工程師麥克唐納自己跑來了。大家此前根本就不認識這個人。他說O形密封環在低溫下會失效,他們早就知道了。起飛前一天晚上,他們就跟NASA的領導說過,過去發射的時候,碰上的最低溫度是12攝氏度,那一次還是成功的。如今發射場的溫度是-4攝氏度,這溫度可太低了,萬一密封圈失效,有可能會造成洩露。他們認為,發射應該取消。

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羅傑斯委員會開會

但是,NASA的管理層其實也有苦衷,此前因為各種各樣的原因,已經推遲了好幾次了,他們實在是不能再推了。這一次次放鴿子,觀眾不答應啊。NASA去問莫頓公司的管理團隊,莫頓公司也明白,NASA要是想中止發射,那還用得著問他們嗎?莫頓公司的領導出面否決了工程師們的提議,下邊的工程師是一肚子氣啊,也沒有辦法。

羅傑斯委員會的人呢聽的瞠目結舌,怎麼還有這一出啊。明天你再來一趟,再把這事兒說說清楚。費曼又是一肚子火,這今天說的夠清楚的了,明天再說一遍,費那個事幹啥?要不說官僚主義害死人呢。浪費別人的時間等於謀財害命。

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等到散會了,格雷姆抱著一大堆文件來了,費曼不是要有關O形環和溫度相關的資料嘛。還真的給找來了。那張有用的資料夾在最中間。上下厚厚的那一疊都是批準書。這就叫“公文旅行”。格雷姆寫了個條子讓下邊找資料,下級再寫一個條子,費曼教授要找資料。然後批給他的下級,下級再批條子,一層一層的同意……照辦……閱……畫圈,這些東西弄了一大打。

這一打條子終於到了一個基層的工程師那兒,工程師把資料找出來。然後給了他的領導,領導再寫個條子往上傳遞,一層一層的,每層都有條子,於是就出現了一個奇怪的景象,中間是工程師給的資料,上下兩打都是批文。

費曼把資料抽出來看了看,完全對不上。這個東西是個實驗報告,就是這種橡膠在一定的溫度和壓力下,擠壓2個小時,然後觀察要多久它才能恢復原形。航天飛機發射總共也沒有幾分鐘,O形環只要失效0.2秒就足以造成災難了。

費曼回到了旅館,他越想越憋氣,他不想再等了,他想自己解決問題。第二天一早,華盛頓正在下大雪。他早上一出門就開始找五金店。華盛頓全是莊嚴的政府部門,國會大廈、白宮、財政部、費曼人生地不熟,哪兒找五金店去啊?沒轍,打個車,讓司機去找,還真的找到一家店,買了螺絲刀、尖嘴鉗和一個C形鉗。其實這個C形鉗長得像個大寫字母G,中間那個破口是能夾東西的,只要你擰緊螺絲就行。

航天史:62.失效的O形環

在格雷姆的辦公室有個模型,剛好有這種橡膠密封環。只是尺寸比航天飛機上那個小得多,不過做實驗是足夠用了。費曼掏出尖嘴鉗子,三下五除二,就把那個密封圈給揪下來了。費曼叫人準備一杯冰水,老外喜歡喝涼水,冰水也是常備的。只是這天偏巧沒有冰水,費曼還找人專門去準備來著。

費曼憋不住想發言,丘提納三番五次的告訴他時機未到。最後,終於等到合適的機會。費曼當著大家的面,後邊媒體的攝像機盯著。他拿出那個O形環,扭成個8字形,用C形鉗夾住,然後泡在冰水裡充分的冷卻,等過了5分鐘再拿出來。費曼當中鬆開C形鉗,O形密封環並沒有恢復原來的狀態。這就是低溫對於橡膠的影響,橡膠的彈性打了折扣。費曼還怕媒體看不懂其中的關鍵因素。但是媒體記者還真不是吃乾飯的,他們還真的都看懂了,第二天的報紙上,這事兒被寫得清清楚楚。

羅傑斯是個政客,他想的太複雜,他要照顧上上下下方方面面的利益。這事兒會不會減少公眾對航天事業的興趣,會不會追究一大批人的責任。NASA不僅僅是個政府的部門,後邊還牽扯到一大堆廠商的利益。他想息事寧人。費曼解決不幹啊,大自然是無法欺騙的。他以辭職相要挾,最後,他的報告被放在了附錄裡,沒有進正文,也不知道裡根總統是不是看到了他的報告。

大家可以去看看英劇《是,大臣》,你就知道這幫官僚可以用大量的垃圾信息淹沒掉真正有用的東西。不過,能進入附錄,對費曼來講就足夠了。他的生命已經進入倒計時,1988年,他因為癌症而去世。參與挑戰者號的事故調查是他人生最後一件大事。

航天史:62.失效的O形環

費曼1988年死於癌症,享年69歲

其實,發現低溫會讓O形環失效,絕對不是某個人靈光乍現,突然開了竅。實際上這是底層的工程師拐彎抹角把信息送到了費曼這裡,只是大家不想透露消息的來源。畢竟人家還要在NASA混口飯吃,人家還準備將來能安穩退休呢。是某個工程師把信息傳給了莎莉·萊德,是莎莉·萊德告訴了丘提納。

航天史:62.失效的O形環

左:莎莉·萊德,右:丘提納

丘提納考慮了好半天,才想到跟費曼通個氣,因為唯有費曼天不怕地不怕,敢於把這事兒捅出去。當然,他講了個故事,說自己早上修理汽車的時候突然想到低溫對O形環有影響,這樣就掩蓋了消息來源。

那麼,有個問題大家可能還想不通,如果是這個O形環失效了,導致了高溫燃氣洩露。那麼為什麼航天飛機一直到升空以後73秒才出事兒,而不是在發射臺上就爆炸呢?其實這裡面有太多的偶然性了,我們下次再說。

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