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航天史:62.失效的O形环

2021-02-07  星光闪亮...
上一次,我们讲到了挑战者号在空中解体爆炸,而且还是在众目睽睽之下。因为航天飞机的发射次数已经不少了,所以当时只有很少的电视台做了直播。但是因为这次飞行任务有一个平民女教师麦考利夫的参与,大家的兴趣还是蛮高的。而且,很多公立学校的学生都在教室收看直播,所以这次事故的传播面还是很广的。很快,全美国就都知道了。
因为这事儿太大了,已经不是NASA内部的事物,所以总统认命了一个调查委员会。由前国务卿罗杰斯牵头,所以也叫罗杰斯委员会,各个委员都是方方面面有代表性的人物。有工程技术背景的占了很大大的比例。不过领头的罗杰斯是个彻底的政客。
罗杰斯委员会成员,中间的就是罗杰斯
这里面最特殊的一个就是诺奖得主,物理学家理查德·费曼。这个人的脾气跟大家实在是不太一样。他有个学生在NASA当主管,就把他给请来了。费曼在加州理工学院活的挺滋润的。一天到晚穿个衬衫,穿个t恤就满街溜达。去了华盛顿要穿西装打领带,他特别不爽。而且他实在不想跟这帮官僚机构打交道。还是他的妻子劝他,如果他不去的话,罗杰斯委员会12个人。肯定是一天到晚从东跑到西,从西跑到东,开起会来没完没了,最后也调查不出什么名堂。如果费曼去了,肯定是11个人一天到晚从西跑到东,从东跑到西,开起会来没完没了,费曼老哥儿1个自己下基层瞎溜达,说不定就能调查到真正的原因。
费曼一想,老婆言之有理,于是他就收拾起行李去了华盛顿。你要知道费曼做出这个决定并不容易,这时候他已经68岁了,而且患有两种癌症,分别是脂肪肉瘤和巨球蛋白血症。有可能跟当年参与原子弹项目的时候接触过放射性物质有关系。1978年的时候,费曼突然腹痛难忍,后来经过医院检查,他得了脂肪肉瘤,这是一种罕见的肿瘤,据说医生给他切除了一个足球大小的瘤子,但是发现癌细胞已经侵入了脾脏和一个肾脏。

1979年,理查德·费曼在加州州立大学长滩分校讲课

过了3年,也就是1981年10月,费曼去医院复查,又发现腹部的癌肿重新出来了,并且和肠子缠绕在一起。只能安排第2次手术,结果发生了主动脉破裂。这种情况异常凶险,病人很容易因为大出血而下不了手术台。当消息传到加州理工校园的时候,好几百的学生往医院赶啊,争着为敬爱的教授献血。一共献了40升血,才把费曼的命给救回来,手术做了14小时才结束。
此后,费曼的身体好一点,病情算是平稳了几年,所以说,此时的费曼是带着一身病参与挑战者号事故调查的。费曼和委员会的其他人一起参加各种会议,开各种听证会。费曼哪里憋得住呢?就在办公室里搞这些没完没了的程序,根本就无法切中要害。所以,费曼一个人走了,下基层了。他把NASA下属的各个航天中心跑了一遍,果然发现了一些问题。

费曼在查看航天飞机残骸

NASA认为,航天飞机是很安全的一种飞行器,事故率只有0.001%,工程师们可不这么认为,他们认为起码有1%,这两个数字可以说是天差地别。如果真的像NASA领导们所认为的,只有0.001%,那么航天飞机飞300也才会出1次事故。现在显然是被打脸嘛,这才几年啊,就出了挑战者号这么大的事儿?
航天飞机的助推器是固体火箭。这两个助推器的安全性是根据过去的经验推算出来的。在2900次飞行里,出现过121次失败,所以概率是4%,有些问题已经解决了,这个概率可以降到2%。因为航天飞机是载人项目。用的材料和元器件都是精工细作的,所以,失败概率会下降到1%左右,这个推算倒是合理的。NASA的估算比这低了1000倍,这都是怎么估出来的?
某次飞行,尽管航天飞机安全的返航了,但是发现密封环坏掉1/3,这些领导们认为,这没什么,既然坏掉1/3,航天飞机还能安全回来,这说明我们的设计是有够冗余的,没关系。
费曼的鼻子差点气歪了,要说这数学是体育老师教的,恐怕都冤枉体育老师。道理很简单,比如你闯红灯横穿马路成功了,你没被撞死,于是你说这没什么,闯红灯是安全的,这真是安全的吗?这是玩儿命好吧!道理大家都懂啊,可是真执行起来,就不是那么回事儿了。

挑战者号残骸

反正,费曼到处跑来跑去,总是特立独行,发现了一大堆的细节,可以说都是隐患。但是并没有找到挑战者号爆炸的直接原因。比如说,火箭挣脱固定用的螺栓,氢气排放臂按理说应该从外储箱收回,但却没有成功,这是一个BUG。不过仔细看录像回放,排放臂也没有再触及其他部分,所以,这并不是导致事故的原因。后期检查发射台时,也发现4颗螺栓的反冲弹簧没了,不知道哪里去了,但是这事儿和挑战者号爆炸也没有直接的关系。说到底,航天飞机这么复杂的一个系统,你说一定问题也不出,那是不可能的。没办法就只能带着这些BUG上天,但愿不要出大事。
反正费曼的行为弄得罗杰斯很头疼。但是,费曼和其他人倒是成了朋友。特别是跟丘提纳关系不错。一个周末,丘提纳给费曼打了个电话。一开始聊的还是不重要的事儿,告诉他明天要开会。费曼特别不喜欢开会,经常不去,罗杰斯已经受不了了,让丘提纳提醒他一声。

火箭发射架上结了冰

但是,丘提纳话锋一转,提到另外一件事,他说今天早上他在修汽车的喷油嘴时想到,航天飞机起飞的那天是佛罗里达罕见的冷天,大约是摄氏零下3~4度。以往的发射,最冷的一天也不过是摄氏12度,大冷天对O形环会有什么影响?费曼马上就明白了,低温会使得橡胶失去弹性。
星期一,丘提纳和费曼去找了NASA的格雷姆,这个格雷姆是费曼的学生,正是他把费曼推荐到罗杰斯委员会的。所以,费曼大事小事儿都找他。想找他要一份有关O形环和温度相关的资料。格雷姆手头也没有啊,于是他批了个条子,让下面的人去找相关的资料。

这几个人在办公室看事故发生时的照片,看看出问题的地方到底在哪儿。在航天飞机的助推器上有个小孔叫泄露测试孔,可以从这里测试整个火箭的密封性。如果前面O形环失效了,这个孔没有完全闭合,那么高压燃气就会从这里泄露出来,灾难也就不可避免了。
星期一不是要开会嘛,开会的具体内容也跟这个O形环有关系。这次是NASA的财务部门提供了一个情况,工程师们抱怨这个O形环总是出问题。需要改进和更换,这是一大笔钱,财务部门要算账报批。看来这个O形环有问题,不但下边的工程师知道,其实上级也知道,只是他们把头埋在沙子里,装不知道罢了。说白了,还是侥幸心理。

固体助推器侧面早就开始冒黑烟了

航天飞机是一个异常庞大的复杂系统,不能消灭所有的BUG,有点小BUG不要紧的。但是,有些BUG是要命的。会议的后半截展示了一些新的照片,大家发现,在航天飞机发射的时候,就已经有一些黑烟冒出来了。正是在泄漏测试孔那个位置。看来已经缩小了包围圈,十有八九就是这里出了问题。
就在这时候,承包商莫顿公司的工程师麦克唐纳自己跑来了。大家此前根本就不认识这个人。他说O形密封环在低温下会失效,他们早就知道了。起飞前一天晚上,他们就跟NASA的领导说过,过去发射的时候,碰上的最低温度是12摄氏度,那一次还是成功的。如今发射场的温度是-4摄氏度,这温度可太低了,万一密封圈失效,有可能会造成泄露。他们认为,发射应该取消。

罗杰斯委员会开会

但是,NASA的管理层其实也有苦衷,此前因为各种各样的原因,已经推迟了好几次了,他们实在是不能再推了。这一次次放鸽子,观众不答应啊。NASA去问莫顿公司的管理团队,莫顿公司也明白,NASA要是想中止发射,那还用得着问他们吗?莫顿公司的领导出面否决了工程师们的提议,下边的工程师是一肚子气啊,也没有办法。
罗杰斯委员会的人呢听的瞠目结舌,怎么还有这一出啊。明天你再来一趟,再把这事儿说说清楚。费曼又是一肚子火,这今天说的够清楚的了,明天再说一遍,费那个事干啥?要不说官僚主义害死人呢。浪费别人的时间等于谋财害命。

等到散会了,格雷姆抱着一大堆文件来了,费曼不是要有关O形环和温度相关的资料嘛。还真的给找来了。那张有用的资料夹在最中间。上下厚厚的那一叠都是批准书。这就叫“公文旅行”。格雷姆写了个条子让下边找资料,下级再写一个条子,费曼教授要找资料。然后批给他的下级,下级再批条子,一层一层的同意……照办……阅……画圈,这些东西弄了一大打。
这一打条子终于到了一个基层的工程师那儿,工程师把资料找出来。然后给了他的领导,领导再写个条子往上传递,一层一层的,每层都有条子,于是就出现了一个奇怪的景象,中间是工程师给的资料,上下两打都是批文。
费曼把资料抽出来看了看,完全对不上。这个东西是个实验报告,就是这种橡胶在一定的温度和压力下,挤压2个小时,然后观察要多久它才能恢复原形。航天飞机发射总共也没有几分钟,O形环只要失效0.2秒就足以造成灾难了。
费曼回到了旅馆,他越想越憋气,他不想再等了,他想自己解决问题。第二天一早,华盛顿正在下大雪。他早上一出门就开始找五金店。华盛顿全是庄严的政府部门,国会大厦、白宫、财政部、费曼人生地不熟,哪儿找五金店去啊?没辙,打个车,让司机去找,还真的找到一家店,买了螺丝刀、尖嘴钳和一个C形钳。其实这个C形钳长得像个大写字母G,中间那个破口是能夹东西的,只要你拧紧螺丝就行。

在格雷姆的办公室有个模型,刚好有这种橡胶密封环。只是尺寸比航天飞机上那个小得多,不过做实验是足够用了。费曼掏出尖嘴钳子,三下五除二,就把那个密封圈给揪下来了。费曼叫人准备一杯冰水,老外喜欢喝凉水,冰水也是常备的。只是这天偏巧没有冰水,费曼还找人专门去准备来着。
费曼憋不住想发言,丘提纳三番五次的告诉他时机未到。最后,终于等到合适的机会。费曼当着大家的面,后边媒体的摄像机盯着。他拿出那个O形环,扭成个8字形,用C形钳夹住,然后泡在冰水里充分的冷却,等过了5分钟再拿出来。费曼当中松开C形钳,O形密封环并没有恢复原来的状态。这就是低温对于橡胶的影响,橡胶的弹性打了折扣。费曼还怕媒体看不懂其中的关键因素。但是媒体记者还真不是吃干饭的,他们还真的都看懂了,第二天的报纸上,这事儿被写得清清楚楚。

罗杰斯是个政客,他想的太复杂,他要照顾上上下下方方面面的利益。这事儿会不会减少公众对航天事业的兴趣,会不会追究一大批人的责任。NASA不仅仅是个政府的部门,后边还牵扯到一大堆厂商的利益。他想息事宁人。费曼解决不干啊,大自然是无法欺骗的。他以辞职相要挟,最后,他的报告被放在了附录里,没有进正文,也不知道里根总统是不是看到了他的报告。
大家可以去看看英剧《是,大臣》,你就知道这帮官僚可以用大量的垃圾信息淹没掉真正有用的东西。不过,能进入附录,对费曼来讲就足够了。他的生命已经进入倒计时,1988年,他因为癌症而去世。参与挑战者号的事故调查是他人生最后一件大事。

费曼1988年死于癌症,享年69岁

其实,发现低温会让O形环失效,绝对不是某个人灵光乍现,突然开了窍。实际上这是底层的工程师拐弯抹角把信息送到了费曼这里,只是大家不想透露消息的来源。毕竟人家还要在NASA混口饭吃,人家还准备将来能安稳退休呢。是某个工程师把信息传给了莎莉·莱德,是莎莉·莱德告诉了丘提纳。

左:莎莉·莱德,右:丘提纳

丘提纳考虑了好半天,才想到跟费曼通个气,因为唯有费曼天不怕地不怕,敢于把这事儿捅出去。当然,他讲了个故事,说自己早上修理汽车的时候突然想到低温对O形环有影响,这样就掩盖了消息来源。

那么,有个问题大家可能还想不通,如果是这个O形环失效了,导致了高温燃气泄露。那么为什么航天飞机一直到升空以后73秒才出事儿,而不是在发射台上就爆炸呢?其实这里面有太多的偶然性了,我们下次再说。

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