挑战者号航天飞机灾难案例分析-工程伦理

工程伦理课程论文挑战者号航天飞机灾难案例分析学号：姓名：专业：电子与通信工程2019年12月5日北京理工大学工程伦理课程论文摘要：1986年1月28日NASA航天飞机挑战者号在它发射后的第73秒解体，七名机组人员全部遇难。该事故是由于接头中使用的O形圈密封圈故障而引起的，该密封圈不能应对发射中存在的异常寒冷条件，密封圈的故障导致SRB接头破裂，从而导致飞行器解体。NASA的管理层事前已经知道承包商莫顿·塞奥科公司设计的固体火箭助推器存在潜在的缺陷，但未能提出改进意见。他们也忽视了工程师对于在低温下进行发射的危险性发出的警告，并未能充分地将这些技术隐患报告给他们的上级。这直接导致了惨剧的发生挑战者号灾难也成为此后工程伦理教育中的一个常见案例。关键词：挑战者号；工程伦理1986年1月28日上午11时39分（格林尼治标准时间16时39分），承担着STS-51-L任务的NASA航天飞机轨道飞行器挑战者号（OV-099）在美国佛罗里达州的上空发射。它的第十次飞行在进行了73秒的飞行后，飞船解体，七名机组人员全部遇难，包括五名NASA宇航员，一名有效载荷专家和一名计划在太空中向学生授课的学校老师。该故障是由于接头中使用的O形密封圈故障而引起的，该密封圈不能应对此发射中存在的异常寒冷条件，密封件的故障导致固体火箭助推器（SRB）接头破裂，从而使固体火箭发动机内的加压燃烧气体到达外部并撞击相邻的SRB尾部接头附件和外部燃油箱。这导致右侧SRB的后场接头的分离和外部油箱的结构故障。空气动力进一步使飞行器破裂。1事件过程1.1发射前挑战者号最初计划于美国东部时间1月22日下午2时43分在佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射，但是，由于上一次任务STS-61-C的延迟导致发射日推后到23日，然后是24日。接着又因为塞内加尔达喀尔的越洋中辍降落（TAL）场地的恶劣天气，发射又推迟到了25日。NASA决定使用达尔贝达作为TAL场地，但由于该场地的配备无法应对夜间降落，发射又不得不被改到佛罗里达时间的清晨。而又根据预报，肯尼迪航天中心（KSC）当时的天气情况不宜发射，发射再次推后到美国东部时间27日上午9时37分。由于外部舱门通道的问题，发射再推迟了一天。首先，一个用于校验舱门密封安全性的微动开关指示器出现了故障。然后，一个坏掉的门闩使工作人员无法从航天飞机的舱门上取下闭合装置器。当工作人员最终把装置器锯下之后，航天飞机着陆跑道上的侧风超过了进行返回着陆场地（RTLS）中断的极限。直到发射时限用尽，并开始采用备用计划时，侧风才停了下来。天气预报称28日的清晨将会非常寒冷，气温接近华氏31度（摄氏-0.5度），这是允许发射的最低温度。过低的温度让莫顿·塞奥科公司的工程师感到担心，该公司是制造与维护航天飞机SRB（soildrocketbooster）部件的承包商。在27日晚间的一次远程会议上，塞奥科公司的工程师和管理层同来自肯尼迪航天中心和马歇尔航天飞行中心的NASA管理层讨论了天气问题。部分工程师，如比较著名的罗杰·博伊斯乔利，再次表达了他们对密封SRB部件接缝处的O型环的担心：即，低温会导致O型环的橡胶材料失去弹性。他们认为，如果O型环的温度低于华氏53度（约摄氏11.7度），将无法保证它能有效密封住接缝。他们也提出，发射前一天夜间的低温，几乎肯定把SRB的温度降到华氏40度的警戒温度以下。但是，莫顿·塞奥科公司的管理层否决了他们的异议，他们认为发射进程能按日程进行。这就为航天飞机的出事埋下了一个巨大的隐患。由于低温，航天飞机旁矗立的定点通信建筑被大量冰雪覆盖。肯尼迪冰雪小组在红外摄像机中发现，右侧SRB部件尾部接缝处的温度仅有华氏8度（摄氏-13度）：从液氧舱通风口吹来的极冷空气降低了接缝处的温度，让该处的温度远低于气温，并远低于O形环的设计承限温度。但这个信息从未传达给决策层。冰雪小组用了一整夜的时间来移除冰雪；同时，航天飞机的最初承包商罗克韦尔国际公司的工程师，也在表达着他们的担心。他们警告说，发射时被震落的冰雪可能会撞上航天飞机，或者会由于SRB的排气喷射口引发吸入效应。罗克韦尔公司的管理层告诉航天飞机计划的管理人员阿诺德·奥尔德里奇，他们不能完全保证航天飞机能安全地发射；但他们也没能提出一个能强有力地反对发射的建议。讨论的最终结果是，奥尔德里奇决定将发射时间再推迟一个小时，以让冰雪小组进行另一项检查。在最后一项检查完成后，冰雪开始融化时，最终确定挑战者号将在美国东部时间当日上午11时38分发射。2.2发射在升空前6.6秒，三部航天飞机主引擎（SSME）点火。为了应对发射的临时中断，SSME可在火箭离开地面前安全地关闭。在起飞时间点时（T=0，为美国东部时间当日11:38:00.010），三部SSME达到了100%的效能率，并在计算机控制下提高到104%，在此时，两部SRB点火，火箭挣脱了固定用的紧固螺栓，从发射台开始上升。随着火箭的第一次垂直动作，氢气排放臂从外部舱收回，但没有成功锁上。但通过对发射台摄像机记录视频的回放，发现排放臂此后没有重新接触到船体，因而将它作为对事故有影响因素的猜想可排除。发射后对发射台的检查也显示出4颗紧固螺栓的反冲弹簧遗失了，但这也被排除了。挑战者号升空下一个发射时的视频回放点显示，在T+0.678时，一股黑灰色的烟雾从右侧SRB尾部靠近连接该部件与外部舱的支架处喷出，大约在T+2.733时烟雾不再喷出。烟雾最后可见的时刻位于T+3.375。后来确定这些烟雾是由右侧SRB部件尾部接缝的开合引发的。助推器的外壳在点火产生的压力下有所膨胀，作为膨胀的结果，外壳的金属部分崩离了其他的部分，打开了一个泄漏温度高达华氏5,000度（摄氏2,760度）气体的裂缝。主O型环是设计用于封闭该裂缝，但在过低的温度下它没能在第一时间内密封住，而副O型环又因为金属部分的崩离而偏离了原有位置。这样就没有可阻碍气体逸出的障碍了，两个O型环在大约70度的范围内都被气化了。然而，固体燃料燃烧产生的氧化铝封闭了损坏的接缝，在明火冲出裂缝前临时替代了O型环的密封作用。在火箭离开发射塔后，SSME以最大效能的104%运行，控制权从位于肯尼迪中心的发射控制中心（LCC）移交到了休斯敦的任务控制中心（MCC）。为了预防空气动力拆散航天飞机，在T+28时SSME开始降低功率以减小航天飞机在密度较大的低空大气中的速度。在T+35.379时，SSME已低于计划的65%效能。5秒后，在5800米（19,000英尺）的位置时，挑战者号突破了音障。在T+51.860时，SSME重新回到104%的效能，火箭也已接近最大Q值（MaxQ）：飞行物能承受的最大气动压力。正当航天飞机达到最大Q值时，它遭遇了航天飞机程序记录中最强烈的风切变。在T+58.788时，一台追踪摄像机捕捉到了右侧SRB靠近尾部支架处出现的烟羽（plume）。当时挑战者号与地面的休斯敦对此都还不知情，但可燃气体已从右侧SRB的一个接缝处开始泄漏出来。风切变的力量粉碎了替代损坏O型环的氧化物密封层，移除了阻碍明火从接缝处泄漏出来的最后一个屏障。在一秒内，烟羽变得明显并剧烈。由于密封失效的接缝处迅速扩大的裂缝，右侧SRB的内压开始减小，在T+60.238时，已可在视觉上观察到从接缝处逸出的火焰，同时开始灼烧外部舱。在T+64.660时，烟羽突然改变了形状，这表明尾部燃料舱的液氢舱开始出现泄漏。在电脑控制下，主引擎的喷嘴开始绕枢轴进行转动，试图补偿助推器产生冲力导致的不平衡。在T+66.764时，航天飞机外部液氢舱的压力开始下降，显现出了泄漏所导致的影响。对宇航员与飞行控制员来说，这个阶段的情形看上去似乎还是正常的。在T+68时，太空舱通讯员（CAPCOM）通知宇航员们“执行加速”，机长迪克·斯科比确认了这个呼叫。他的响应是：“收到，执行加速”，这句话是挑战者号空对地回路的最后一次通讯。在T+72.284时，右侧SRB部件似乎已从与外部舱连接的尾部支架上扯落。事后从遥测数据的分析显示，在T+72.525时，航天飞机右侧有突然的加速，宇航员们也可能感觉到：船员舱记录器最后的状态记录是在加速后半秒钟时，驾驶员迈克尔·史密斯发出了“嗯噢”的叫声。史密斯可能也感觉到了主引擎异常表现的征兆，或是外部燃料舱压力的下降。在T+73.124时，舰尾拱顶的液氢燃料舱发生故障，产生的一股推力将液氢舱推挤入了上端的液氧舱；与此同时，右侧的SRB绕着支架向上转动，并且撞击到了内部燃料舱结构。在T+73.162时，航天飞机在14.6千米（48,000英尺）的高度上开始解体。伴随着外部燃料舱的瓦解，挑战者号在气流的冲击下改变了正常的方向，并在异常的气体动力产生20g——远超过设计极限的——负载系数下立刻被撕裂开来。2.事件分析 通过对整个事件过程的分析，可以发现事故的产生不是某一个人或某一件事单独作用造成的，而是很多因素共同作用最终导致飞行器解体。从工程师角度分析，在设计生产O型密封圈时其设计指标不能满足极低温下正常工作的要求，可能是因为技术原因，也可能是因为成本原因，未设计一个高性能的技术指标。于是在设计完成后，就应该对产品做出充分的实验检验，以得到密封圈在各种温度下工作的数据，来提供一个具有极高可信度的参考标准。虽然工程师们意识到了在较低温度下密封圈可能会失去弹性从而不能进行有效密封，但是并没有拿出强有力的证据提交给上级，仅仅只是表示了对安全正常发射的担心和不保证。这种不确定性，让上级领导产生了侥幸心理，从而做出了正常发射的决定。从公司管理层和NASA管理层分析，他们无疑是要负更大责任的一方，他们不管是出于什么样的考虑，在没有进行进一步调查的前提下，否决了有关工程师提出的异议。可能每个人做出一个决定之前都有着自己的考虑和理由，但在工程领域，尤其是这种涉及到人类性命安全的领域，必须一切从工程安全出发，在已经有人提出安全建议的前提下就必须对这一问题进行深入研究和讨论，彻底解决一切安全隐患，采取一些补救措施来保证工程安全。3.工程伦理的启示 工程学是一门讲究量化的科学，而伦理学则是一门不容易定量、主观性强的软因素学科，希望弥合工程学与伦理兴业两种学科之间的隔阂，但却不得不承认这种隔阂局面短期内难以改变。因此诞生了类似于“挑战者号悲剧”的现象，从而引发了各种社会争议。[1]工程师们在进行工程设计之初，就应该将自己的目标设立为尽自己所能将产品的性能设计做到尽量的好，社会发展螺旋式上升，这是人类社会的发展规律。在发展