[物理史] 挑戰者號太空梭爆炸及其後續發展

挑戰者號太空梭爆炸及其後續發展
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2001年1月）

1986年1月28日，美國全國引頸期盼挑戰者號太空梭(Space Shuttle Challenger)歷史性飛航的飛射升空，這是美國國家航空暨太空總署 (NASA) 的驕傲與喜悅。挑戰者號上的太空人包括一位高中老師麥克奧麗菲(Christa McAuliffe)，他是第一位要被送進太空的非太空人。然而挑戰者號才飛行了73秒，就寫下不幸的歷史。在數百萬美國人的觀看下，他突然燒成火焰，7名太空人全數喪生，是史上最慘烈的太空災難。

調查員觀看爆炸前一刻挑戰者號的慢速重播影片，證實是其中一個固體火箭推進器的側邊冒出一陣火焰，直接燒到主燃料槽的側邊，引發爆炸。在羅傑斯委員會 (Rogers Commission)被指定偵查此災難前的國會聽證會期間，挑戰者號即被指出，其右側固體火箭推進器最後面段的橡膠O型環密封圈有技術上的問題。密封圈是用來阻止熱廢棄外洩，但因為設計上有瑕疵，這些密封圈對低溫極度敏感。升空的前一晚溫度很低，有問題的O型環上都結了霜，使其溫度更低，而變得易脆。升空當時一陣熱氣從O型環的裂縫噴出，在幾分之一秒的時間就穿入主燃料槽，液態氫和氧混合後爆炸，瞬間即毀掉了太空梭。

羅傑斯委員會聽證會最精彩的部分是諾貝爾得主物理學家費曼(Richard Feynman)的作證，他對於證人含糊的回答和官僚程序的緩慢深感灰心，所以當場即興做了一個實驗，對整個偵查極具關鍵性。費曼將一片火箭推進器O行環的材料放入一杯冰水中，以說明此物質在低溫會如何喪失它全部的彈性，令人難忘，解開了和爆炸有關技術因素的疑點。在委員會最後的報告中，費曼指控美國國家航空暨太空總署簡直拿太空人的生命「玩俄羅斯輪盤¹」。

費曼刻薄的批判在委員會更驚人的發現後被炒得沸沸揚揚，委員會發現NASA的安全報告系統太弱，可用「安靜無聲」稱之，以至於總署的管理階層壓制了可以避免此次悲劇的發射前警告。設計O型環的西爾克公司(Thiokol Corporation)最先於1977年發現它的瑕疵，並稟報給NASA，但是負責太空梭計畫的委員會忽略此報告，甚至於1981年的太空梭飛行發現O型環嚴重腐蝕後仍置之不理。

在挑戰者號的慘劇發生與其後的委員會報告之後，NASA在1988年9月28日第一次「後—挑戰者號」的太空飛行上投資了2億美元，做為改進將近400個項目之用，以試著提高設備的品質，擴編安全部門，對太空梭管理加入新責任。其中最重要的改變是，在固體火箭推進器加了一個內部金屬鎖控，又多加了第三個O型環，絕緣重新設計，每一項都要設法阻止熱廢氣從引擎側邊外洩。密封環還加上電熱器，以避免O型環在低溫中易脆壞，喪失其密封效力。

另外，太空梭還配備有基本的逃生系統，當面對急需在海面迫降時，可讓太空人跳傘。燃料槽新裝設的幾道鎖控可以避免燃料在通往主引擎管路中受到不當地干擾；剎車與駕駛系統更進一步改良，尾端還安裝上減速拉傘，使其高速降落時可增強控制力；許多瓷磚都換上更大、更耐用的絕緣毯，以確保太空梭承受得了在返航經大氣層與空氣摩擦時所產生的高熱。最後，負責監督倒數作業、發射與飛行操作的任務管理團隊還包括NASA安全人員以及和每次飛行主要合約商的代表。

NASA在1995年夏天，有了機會證明它已記取了教訓。在奮進號太空梭(shuttle Endeavor)預定出任務的8月5日之前，西爾克公司通知NASA說，它的檢查員從連續前兩次太空梭發射回收的噴嘴O型環上發現了鉛筆尖大小的焦痕，證明熱廢氣在推進器的噴嘴內四處流竄，相當危險。這一次，NASA將發射計畫延期，直到西爾克公司的科學家將問題解決。奮進號於9月7日安全發射升空。

美國總統雷根在挑戰者號悲劇後的晚間向全國發表演說，稱已喪生的太空人是我們在持續探測、征服太空努力中的「先驅」，還特別針對美國學童說：「我知道很難了解有時會發生像這樣的痛苦事件，這全都是探測與發現過程的一部分，這全都是冒險與擴展人類視野的一部分。未來不屬於懦弱的人，它是屬於勇敢的人。」

註（1）：俄羅斯輪盤（Russian roulette）是一種自殺式的玩命遊戲。玩家將左輪手槍6發的子彈夾裝上1或多發子彈，轉動後關上，然後對著自己的頭部開槍，拿性命作為堵住。

原文刊載於物理雙月刊2012年2月號34卷第1期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。