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致命的工程錯誤將導致挑戰者毀滅性的災難

來源:    發布日期:2019-05-07 14:54:27    作者:

    今天,讓我們看看這與航天飛機挑戰者(OV-99)有何關系。在大多數應用中,橡膠密封用于所有行業,并且幾乎在今天被認為是理所當然的。以下是SimScale公共項目庫中有趣的模擬:橡膠密封滑動。
    如果僅在三十年前就考慮到這一點,它本可以拯救航天飛機挑戰者免于災難。從維基百科的網頁到國家地理的報道,有很多文章都在解決媒體中的挑戰者災難。NASA網站上的這個頁面列出了一些關于悲劇的主要理論和報告。
    災難中最殘酷的一個方面是機組人員在航天飛機挑戰者號上的致命命運。原先認為航天飛機爆炸了,船員立即死亡。后來,人們發現宇航員還活著,被困在座位上甚至意識到船員艙以每小時321公里的速度撞擊大西洋......
如果工程執行得更好,可以阻止挑戰者的災難嗎?
什么是挑戰者的災難?
    1986年1月28 日早晨,佛羅里達州卡納維拉爾角(美國)發射了一個由7名成員組成的航天飛機挑戰者號。27 日的原始發射 推遲了。那天的溫度約為-7°C。這是航天飛機挑戰者的第 10 次飛行。
    飛行73秒后,人們相信固體助推器爆炸,導致機上所有機組人員死亡,并使航天飛機墜入大西洋。初步調查報告說,固體助推器之間的O形圈由于當天的低溫而失效,最終導致梭子斷裂。
    然而,在過去的30年里,這一直是工程師和學術界人士的一個重要案例研究,他們嚴格質疑這些理論。今天,隨著技術進步揭示了挑戰者災難的真正原因,我們對此事的理解已經大大發展和成熟。
實際發生在航天飛機挑戰者身上的是什么?
    正如我在前一篇關于超彈性的文章中所討論的那樣,橡膠材料表現出玻璃化轉變行為。這意味著在超過該玻璃化轉變溫度的溫度下,材料極其橡膠狀。相反,低于此溫度會使材料表現為玻璃狀和脆性。
    這些O形圈安裝在固體燃料段之間,如圖01所示。它們的目的是防止熱燃燒氣體和顆粒逃逸到助推器內部。為了冗余,安裝了兩個O形圈。在內層上,加入耐熱油灰以進一步將環與熱氣體隔離。
引發挑戰者災難的三個可能問題
    考慮圖02中的橫截面圖。助推器點火使得耐熱油灰移位并增加油灰和O形圈之間的空氣壓力。這導致環(A)和絕緣(E)之間的間隙增大。
    由于暴露在高溫氣體中,O形圈經歷了侵蝕。
    在1985年1月24 日的航班51-C航班上,觀察到了漏氣事件。這意味著熱氣體完全穿透了兩個O形圈。此次發射是在最低環境溫度下完成的。
    1985年3月的進一步試驗表明,在10°C以下使用時,O形圈的彈性有問題。1985 年7月31 日,一份備忘錄散發出來,討論了因這些條件而失去飛行的明確恐懼。
發射前夕
    在首次發布日期前夕,MTI工程師和管理層建議推遲發布,因為溫度太低(低于10°C)。后來發現Kilminster特別反對發射,而Mulloy希望繼續推進。根據美國宇航局的規定,承包商有責任證明組件的啟動準備情況。任何不確定的數據都會自動導致無法訪問。然而,  拉里·穆洛伊(Larry Mulloy)將負擔放在MTI上以證明該系統尚未準備就緒。
    在所有的政治活動中,最初不情愿的羅伯特倫德同意杰里梅森的同意。雖然艾倫麥克唐納反對這次發射,但Joe Kilminster向NASA宣布數據尚無定論,因此不建議發射。此時,NASA經理Larry Mulloy和George Hardy告訴MTI他們只能提出建議,他們希望繼續推出。他們告訴高層人員繼續前進,忽略了提出的問題,不幸的是創造了歷史。我們都知道接下來發生了什么。
航天飛機挑戰者發射
    繼續前進,班車啟動了。如預期的那樣,溫度足夠低,使得環非常堅硬并且不能提供足夠的密封。如圖03所示,立即可以看到煙霧。
    由于發射的壓力,圓柱形容器/殼體彼此遠離彎曲形成開口。預計O型圈將轉移以密封間隙。然而,由于低于玻璃化轉變溫度的低溫,O形環表現為玻璃狀和脆性。高于這些溫度,它們表現出極大的靈活性和彈性。因此,這些O形環需要更長的時間才能移出位置并形成密封。兩個O形環在70°弧度上蒸發,允許氣體通過生長孔泄漏。那天,航天飛機經歷了超過正常的風速剪切,導致洞口迅速增加。
    在發射后73秒,瓦解外部坦克使航天飛機從其高度轉向。這將空氣動力增加到20g以上(超過其設計極限5g),導致梭子解體。SRB繼續以不受控制的方式推進。然后,完整的小屋飛入大西洋,船員可能會有意識地直到撞擊。
結論
    挑戰者的災難在世界范圍內廣播并且一次又一次地播放。直到今天,人們都覺得他們親眼目睹了這場災難,并以某種方式聯系在一起。一個主要因素是未能在一系列溫度范圍內有效測試聚合物材料的性能。這與其他一些有貢獻的工程缺陷一起,最終導致了悲劇。挑戰者災難是一個臭名昭著的例子,即使最簡單的工程概念必須得到尊重,嘗試,測試或不幸可能會發生 - 有時甚至是致命的。

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