「航天知识:世界著名航天飞机」挑战者号航天飞机

「航天知识:世界著名航天飞机」挑战者号航天飞机插图

挑战者号航天飞机简介

美国的航天飞机都是以早期的研究船名命名,“挑战者号”也不例外,它源自1870年航行于大西洋与太平洋上的英国海军研究船“挑战者号”(HMS Challenger )。“挑战者号”(Challenger)是NASA第二架正式使用的航天飞机,1983年4月4日正式进行了首次发射。“挑战者号”与“企业号”一样,建造初衷是作测试用,但完成测试任务之后,NASA突然改变主意,将“挑战者号”改装成正式的轨道器。1986年1月28日,“挑战者号”在执行第十次空间任务时,升空73s后发生爆炸解体坠毁,机上七名航天员全部遇难。造成事故的直接原因是右侧助推火箭密封装置失灵,发射时温度过低导致合成橡胶密封圈失去弹性,无法起到密封作用。在前九次飞行行动期间,“挑战者号”航天飞机将太空实验室以及数颗军事和科学卫星送入轨道。

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“挑战者号”航天飞机

挑战者号航天飞机历史

“挑战者号”在1972年完工启用时,主要的功能并非是担负往返地球与外太空之间的轨道运具,而是在美国的航天飞机建造计划初期用来测试机身结构安全性的高拟真结构测试体(编号STA-099),由洛克威尔(Rockwell)公司承造,在1978年2月4日送抵洛克希德(Lockheed)42号工厂,开始进行实际的结构测试。之所以需要进行这种测试,是因为航天飞机本身虽然是一种需要承受极大外力的飞行工具,但它同时也需要尽可能地减轻本身重量,因此几乎整架机身的每一部分都负担了非常大的结构应力。但考量到当年的电脑技术有限,工程师们并没有把握仅靠软件模拟就能将航天飞机在受到机械负荷与热负荷情况下的表现计算到非常精准的程度。为了安全,唯一的解决方法就是用真的航天飞机进行测试分析,这也是“挑战者号”被制造出来的初衷。

STA-099在一个由256架油压千斤顶所组成的43t重测试仪中进行了为期11个月的测试与分析,这些千斤顶能在836个不同的部位上施加荷重。在电脑的控制下,能够逼真地模拟出航天飞机在发射、爬升、绕行轨道、重返大气层与降落时所受到的各种力量,其中,航天飞机主引擎启动时的庞大推力由三具一百万磅(约450t)推力的液压汽缸来模拟。

在洛克威尔公司当初获得的那份26亿美元合约中,该公司需负责制造一对静态测试体(也就是主推进器测试体MPTA-098与结构测试体STA-099),以及两架初期飞行测试载具(也就是OV-101与OV-102)。但在1978年达成的一项决议中,决定不以主要是用来作为迫近与降落测试(Approach and Landing Test,ALT)用途的“企业号”航天飞机改装成可以实际使用的轨道载具,使得真正可以执行任务的轨道载具只剩下“哥伦比亚号”。因此在1979年1月29日时,NASA与洛克威尔补签了一张合约,将“挑战者号”(当时编号STA-099)从测试载具的状态改装成真的可以执行太空任务的轨道载具OV-099。

STA-099在1979年11月7日被送回洛克威尔,改装工程也从那时开始。虽然与“企业号”相比,要将“挑战者号”由测试用途改装成任务用途的工程规模比较小,但“挑战者号”依然躲不掉整个机体被拆解开再重新组装的命运。这主要是因为,原本的“挑战者号”上装置的是一个模拟用的乘客舱,因此工程师得将整个航天飞机的前半段机身拆开,才有办法取出模拟舱,放入真正有功能的乘客舱模组。除此之外,“挑战者号”的机翼部分也经过相当程度的改良与强化,这些参考数据全来自它先前所进行的那些实机测试。最后,在驾驶舱中加装上两具抬头显示器(HUD)之后,“挑战者号”的改装工程遂告一段落,整架航天飞机的空重为155400磅(70552kg),加上主引擎后重175111磅(79500kg),较“哥伦比亚号”约轻了2889磅(1311kg)。

在实际服役过程中,“挑战者号”与另一艘航天飞机“发现号”曾经在肯尼迪太空中心改装,以便能够在筹载舱里面载送半人马上节火箭(Centaur Upper Stage)。配合这点,航天飞机的筹载舱里需装设额外管线、通风管与可以监控上节火箭运作的飞行平台,以配合半人马火箭的低温(L02/LH2)推进燃料[大部分的惯性上节火箭(IUS)都是使用固态推进燃料]。不过NASA不曾实际进行用航天飞机载运半人马火箭的任务。而自从“挑战者号”爆炸坠毁后,NASA决定中止这种危险尝试;毕竟,在筹载舱里放了一具装满高爆燃料的火箭,风险实在太大。

挑战者号航天飞机失事过程(挑战者号航天飞机灾难)

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“挑战者号”在升空过程中爆炸坠毁

1986年1月28日,卡纳维拉尔角上空万里无云。在离发射现场6.4km的看台上,聚集了1000多名观众,其中有19名中学生代表,他们既是来观看航天飞机发射的,也是来欢送他们心爱的老师麦考利夫的。1984年,航天局宣布将邀请一位教师参加航天飞行,计划在太空为全国中小学生讲授两节有关太空和飞行的科普课,学生还可以通过专线向教师提问。麦考利夫就是从11000多名教师中精心挑选出来的。当孩子们看到航天飞机载着他们的老师升空的壮观场面时,激动得又是吹喇叭,又是敲鼓。然而,不幸就在70多秒后发生了,“挑战者号”失事了!

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7名罹难的宇航员

对“挑战者号”的失事过程记录如下:0s时,航天飞机在顺利上升:7s时,飞机翻转;16s时,机身背向地面,机腹朝天完成转变角度;24s时,主发动机推力降至预定功率的94%;42s时,主发动机按计划再减低到预定功率的65%,以避免航天飞机穿过高空湍流区时由于外壳过热而使飞机解体。这时,一切正常,航速已达每秒677m,高度8000m。50s时,地面曾有人发现航天飞机右侧固体助推器侧部冒出一丝丝白烟,但这个现象没有引起人们的注意。52s时,地面指挥中心通知指令长斯克比将发动机恢复全速。59s时,高度10000m,主发动机已全速工作,助推器已燃烧了近450t固体燃料。此时,地面控制中心和航天飞机上的计算机上显示的各种数据都未见任何异常。65s时,斯克比向地面报告“主发动机已加大”。“明白,全速前进”是地面测控中心收听到的最后一句报告词。72s时,高度16600m,航天飞机突然闪出一团亮光,外挂燃料箱凌空爆炸,航天飞机被炸得粉碎,与地面的通信猝然中断,监控中心屏幕上的数据陡然全部消失。“挑战者号”变成了一团大火,失去控制的固体助推火箭脱离火球,呈V字形喷着火焰向前飞去,眼看要掉入人口稠密的陆地,航天中心负责安全的军官比林格眼疾手快,在第100s时,通过遥控装置将它们引爆。

“挑战者号”爆炸后的碎片在发射东南方30km处散落了一小时之久,价值12亿美元的航天飞机,顷刻化为乌有,七名机组人员(图4.10)全部遇难,全世界为之震惊,各国领导人纷纷致电表示哀悼。

1986年2月3日,时任美国总统里根下令成立一个由13人组成的总统调查委员会,调查航天飞机失事的原因。由前国务卿罗杰斯为首的调查委员会在四个月的调查中,访问了160人,举行了35次调查会议,搜集了63000份文件和数百幅照片。6月9日调查委员会正式向里根总统提出长达256页的调查报告。报告认为,“挑战者号”爆炸的原因是右侧助推火箭存在问题。由于航天飞机发射时气温过低,寒冷的天气对火箭垫圈产生影响,最终导致爆炸。

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