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致命的工程错误将导致挑战者毁灭性的灾难

来源:    发布日期:2019-05-07 14:54:27    作者:

    今天,让我们看看这与航天飞机挑战者(OV-99)有何关系。在大多数应用中,橡胶密封用于所有行业,并且几乎在今天被认为是理所当然的。以下是SimScale公共项目库中有趣的模拟:橡胶密封滑动。
    如果仅在三十年前就考虑到这一点,它本可以拯救航天飞机挑战者免于灾难。从维基百科的网页到国家地理的报道,有很多文章都在解决媒体中的挑战者灾难。NASA网站上的这个页面列出了一些关于悲剧的主要理论和报告。
    灾难中最残酷的一个方面是机组人员在航天飞机挑战者号上的致命命运。原先认为航天飞机爆炸了,船员立即死亡。后来,人们发现宇航员还活着,被困在座位上甚至意识到船员舱以每小时321公里的速度撞击大西洋......
如果工程执行得更好,可以阻止挑战者的灾难吗?
什么是挑战者的灾难?
    1986年1月28 日早晨,佛罗里达州卡纳维拉尔角(美国)发射了一个由7名成员组成的航天飞机挑战者号。27 日的原始发射 推迟了。那天的温度约为-7°C。这是航天飞机挑战者的第 10 次飞行。
    飞行73秒后,人们相信固体助推器爆炸,导致机上所有机组人员死亡,并使航天飞机坠入大西洋。初步调查报告说,固体助推器之间的O形圈由于当天的低温而失效,最终导致梭子断裂。
    然而,在过去的30年里,这一直是工程师和学术界人士的一个重要案例研究,他们严格质疑这些理论。今天,随着技术进步揭示了挑战者灾难的真正原因,我们对此事的理解已经大大发展和成熟。
实际发生在航天飞机挑战者身上的是什么?
    正如我在前一篇关于超弹性的文章中所讨论的那样,橡胶材料表现出玻璃化转变行为。这意味着在超过该玻璃化转变温度的温度下,材料极其橡胶状。相反,低于此温度会使材料表现为玻璃状和脆性。
    这些O形圈安装在固体燃料段之间,如图01所示。它们的目的是防止热燃烧气体和颗粒逃逸到助推器内部。为了冗余,安装了两个O形圈。在内层上,加入耐热油灰以进一步将环与热气体隔离。
引发挑战者灾难的三个可能问题
    考虑图02中的横截面图。助推器点火使得耐热油灰移位并增加油灰和O形圈之间的空气压力。这导致环(A)和绝缘(E)之间的间隙增大。
    由于暴露在高温气体中,O形圈经历了侵蚀。
    在1985年1月24 日的航班51-C航班上,观察到了漏气事件。这意味着热气体完全穿透了两个O形圈。此次发射是在最低环境温度下完成的。
    1985年3月的进一步试验表明,在10°C以下使用时,O形圈的弹性有问题。1985 年7月31 日,一份备忘录散发出来,讨论了因这些条件而失去飞行的明确恐惧。
发射前夕
    在首次发布日期前夕,MTI工程师和管理层建议推迟发布,因为温度太低(低于10°C)。后来发现Kilminster特别反对发射,而Mulloy希望继续推进。根据美国宇航局的规定,承包商有责任证明组件的启动准备情况。任何不确定的数据都会自动导致无法访问。然而,  拉里·穆洛伊(Larry Mulloy)将负担放在MTI上以证明该系统尚未准备就绪。
    在所有的政治活动中,最初不情愿的罗伯特伦德同意杰里梅森的同意。虽然艾伦麦克唐纳反对这次发射,但Joe Kilminster向NASA宣布数据尚无定论,因此不建议发射。此时,NASA经理Larry Mulloy和George Hardy告诉MTI他们只能提出建议,他们希望继续推出。他们告诉高层人员继续前进,忽略了提出的问题,不幸的是创造了历史。我们都知道接下来发生了什么。
航天飞机挑战者发射
    继续前进,班车启动了。如预期的那样,温度足够低,使得环非常坚硬并且不能提供足够的密封。如图03所示,立即可以看到烟雾。
    由于发射的压力,圆柱形容器/壳体彼此远离弯曲形成开口。预计O型圈将转移以密封间隙。然而,由于低于玻璃化转变温度的低温,O形环表现为玻璃状和脆性。高于这些温度,它们表现出极大的灵活性和弹性。因此,这些O形环需要更长的时间才能移出位置并形成密封。两个O形环在70°弧度上蒸发,允许气体通过生长孔泄漏。那天,航天飞机经历了超过正常的风速剪切,导致洞口迅速增加。
    在发射后73秒,瓦解外部坦克使航天飞机从其高度转向。这将空气动力增加到20g以上(超过其设计极限5g),导致梭子解体。SRB继续以不受控制的方式推进。然后,完整的小屋飞入大西洋,船员可能会有意识地直到撞击。
结论
    挑战者的灾难在世界范围内广播并且一次又一次地播放。直到今天,人们都觉得他们亲眼目睹了这场灾难,并以某种方式联系在一起。一个主要因素是未能在一系列温度范围内有效测试聚合物材料的性能。这与其他一些有贡献的工程缺陷一起,最终导致了悲剧。挑战者灾难是一个臭名昭着的例子,即使最简单的工程概念必须得到尊重,尝试,测试或不幸可能会发生 - 有时甚至是致命的。

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