挑战者号航天飞机灾难

工程伦理课程论文

挑战者号航天飞机灾难案例分析

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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

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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

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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（soildrocket

booster）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

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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

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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。

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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

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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

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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。在发展过程中，同时也必须保持警惕性，在科

技发展的任何阶段，都会产生工程伦理的问题，就必须培养工程师的

工程伦理意识，从根源上减小工程安全问题发生的风险，从而减少类

似“挑战者号悲剧”的发生。[2]

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参考文献

[1]徐红梅,王璇.“挑战者号悲剧”引发的对我国工程伦理的启示[J].吉

林农业：学术版(9期):268-268.

[2]张性原.加强安全、可靠性和质量保证工作——挑战者号航天飞

机灾难性事故的沉痛教训[J].航空标准化与质量,1990(3):36-37.