發(fā)射過程中
起飛上升
以下關(guān)于事故的分析基于實時遙測數(shù)據(jù)、攝影分析,以及航天飛機與任務(wù)控制中心的語音通訊副本產(chǎn)生。發(fā)射后的所有時間信息都以秒給出,敘述的每項事件都與從最接近儀表事件取得的遙測時間碼一致。
在升空前6.6秒,三部航天飛機主引擎(SSME)點火。為了應(yīng)對發(fā)射的臨時中斷,SSME可在火箭離開地面前安全地關(guān)閉。在起飛時間點時(T=0,為美國東部時間當日11:38:00.010),三部SSME達到了100%的效能率,并在計算機控制下提高到104%,在此時,兩部SRB點火,火箭掙脫了固定用的緊固螺栓,從發(fā)射臺開始上升。隨著火箭的第一次垂直動作,氫氣排放臂從外部艙收回,但沒有成功鎖上。但通過對發(fā)射臺攝像機記錄視頻的回放,發(fā)現(xiàn)排放臂此后沒有重新接觸到船體,因而將它作為對事故有影響因素的猜想可排除。發(fā)射后對發(fā)射臺的檢查也顯示出4顆緊固螺栓的反沖彈簧遺失了,但這也被排除了。 挑戰(zhàn)者號升空下一個發(fā)射時的視頻回放點顯示,在T+0.678時,一股黑灰色的煙霧從右側(cè)SRB尾部靠近連接該部件與外部艙的支架處噴出,大約在T+2.733時煙霧不再噴出。煙霧最后可見的時刻位于T+3.375。后來確定這些煙霧是由右側(cè)SRB部件尾部接縫的開合引發(fā)的。助推器的外殼在點火產(chǎn)生的壓力下有所膨脹,作為膨脹的結(jié)果,外殼的金屬部分崩離了其他的部分,打開了一個泄漏溫度高達華氏5,000度(攝氏2,760度)氣體的裂縫。主O型環(huán)是設(shè)計用于封閉該裂縫,但在過低的溫度下它沒能在第一時間內(nèi)密封住,而副O(jiān)型環(huán)又因為金屬部分的崩離而偏離了原有位置。這樣就沒有可阻礙氣體逸出的障礙了,兩個O型環(huán)在大約70度的范圍內(nèi)都被氣化了。然而,固體燃料燃燒產(chǎn)生的氧化鋁封閉了損壞的接縫,在明火沖出裂縫前臨時替代了O型環(huán)的密封作用。 在火箭離開發(fā)射塔后,SSME以最大效能的104%運行,控制權(quán)從位于肯尼迪中心的發(fā)射控制中心(LCC)移交到了休斯敦的任務(wù)控制中心(MCC)。為了預(yù)防空氣動力拆散航天飛機,在T+28時SSME開始降低功率以減小航天飛機在密度較大的低空大氣中的速度。在T+35.379時,SSME已低于計劃的65%效能。5秒后,在5800米(19,000英尺)的位置時,挑戰(zhàn)者號突破了音障。在T+51.860時,SSME重新回到104%的效能,火箭也已接近最大Q值(Max Q):飛行物能承受的最大氣動壓力。 強風切變
正當航天飛機達到最大Q值時,它遭遇了航天飛機程序記錄中最強烈的風切變。 在T+58.788時,一臺追蹤攝像機捕捉到了右側(cè)SRB靠近尾部支架處出現(xiàn)的煙羽(plume)。當時挑戰(zhàn)者號與地面的休斯敦對此都還不知情,但可燃氣體已從右側(cè)SRB的一個接縫處開始泄漏出來。風切變的力量粉碎了替代損壞O型環(huán)的氧化物密封層,移除了阻礙明火從接縫處泄漏出來的最后一個屏障。在一秒內(nèi),煙羽變得明顯并劇烈。由于密封失效的接縫處迅速擴大的裂縫,右側(cè)SRB的內(nèi)壓開始減小,在T+60.238時,已可在視覺上觀察到從接縫處逸出的火焰,同時開始灼燒外部艙。
在T+64.660時,煙羽突然改變了形狀,這表明尾部燃料艙的液氫艙開始出現(xiàn)泄漏。在電腦控制下,主引擎的噴嘴開始繞樞軸進行轉(zhuǎn)動,試圖補償助推器產(chǎn)生沖力導致的不平衡。在T+66.764時,航天飛機外部液氫艙的壓力開始下降,顯現(xiàn)出了泄漏所導致的影響。
對宇航員與飛行控制員來說,這個階段的情形看上去似乎還是正常的。在T+68時,太空艙通訊員(CAPCOM)通知宇航員們“執(zhí)行加速”,機長迪克·斯科比確認了這個呼叫。他的響應(yīng)是:“收到,執(zhí)行加速”,這句話是挑戰(zhàn)者號空對地回路的最后一次通訊。 解體隕落
在T+72.284時,右側(cè)SRB部件似乎已從與外部艙連接的尾部支架上扯落。事后從遙測數(shù)據(jù)的分析顯示,在T+72.525時,航天飛機右側(cè)有突然的加速,宇航員們也可能感覺到:船員艙記錄器最后的狀態(tài)記錄是在加速后半秒鐘時,駕駛員邁克爾·史密斯發(fā)出了“嗯噢”的叫聲。史密斯可能也感覺到了主引擎異常表現(xiàn)的征兆,或是外部燃料艙壓力的下降。
在T+73.124時,艦尾拱頂?shù)囊簹淙剂吓摪l(fā)生故障,產(chǎn)生的一股推力將液氫艙推擠入了上端的液氧艙;與此同時,右側(cè)的SRB繞著支架向上轉(zhuǎn)動,并且撞擊到了內(nèi)部燃料艙結(jié)構(gòu)。

解體
在T+73.162時,航天飛機在14.6千米(48,000英尺)的高度上開始解體。伴隨著外部燃料艙的瓦解,挑戰(zhàn)者號在氣流的沖擊下改變了正常的方向,并在異常的氣體動力產(chǎn)生20g——遠超過設(shè)計極限的——負載系數(shù)下立刻被撕裂開來。兩架SRB則因能承受更大的空氣動力負載,在從外部艙分離后還繼續(xù)進行了37秒鐘的失控動力飛行。SRB的外殼由12.7毫米(半英寸)厚的鋼板構(gòu)成,比航天飛機與外部燃料艙更為堅固;因此兩架SRB在航天飛機解體時得以幸免,即使導致挑戰(zhàn)者號毀滅的SRB接縫燒穿對右側(cè)SRB的影響依然存在。SRB在其于大氣層的燒蝕過程中損壞。
飛行日志
在事故發(fā)生后,任務(wù)控制中心持續(xù)了十幾秒的寧靜。電視屏幕上顯示著挑戰(zhàn)者號所在位置出現(xiàn)的煙霧,和向海洋墜落的大量碎片殘骸。在大約T+89時,飛行指揮杰伊·格林提醒飛行動力官員向他提供信息。得到的回復(fù)是“過濾雷達得到不連續(xù)的來源”,進一步表明挑戰(zhàn)者號已經(jīng)破裂成了許多碎片。地面控制員報告說,挑戰(zhàn)者號的無線通訊器與遙測數(shù)據(jù)均“無法連接,下行鏈路失敗”。格林命令他的小組“仔細察看你的數(shù)據(jù)”并尋找軌道艙成功逃生的任何跡象。 在T+110.250時,卡納維拉爾角空軍基地的靶場安全官員(RSO)向航天飛機與SRB發(fā)出了無線電信號,激活了靶場安全系統(tǒng)的自毀程序。這是一個應(yīng)對緊急情況的正常程序,以確保自由飛行的SRB不對陸地或海洋的目標造成威脅。另外一個相同的自毀信號也摧毀掉了外部艙未分解的部分。 “這里的飛行控制員在應(yīng)對該情況時看來是非常謹慎的,”公共事務(wù)官員史蒂夫·內(nèi)斯比特報告說,“一個明顯的主要故障是,我們沒有下行鏈路?!痹谝粋€停頓后,內(nèi)斯比特說道:“我們從飛行動力官員得到的報告說飛行器已經(jīng)爆炸?!?/span>
格林命令任務(wù)控制中心執(zhí)行緊急情況程序;這些程序包括封鎖進出控制中心的通道、切斷與外部世界的電話聯(lián)系,并根據(jù)清單確保有關(guān)的數(shù)據(jù)都正確地被記錄與保護。
爆炸可能
與飛行動力官員最初的結(jié)論相反的是,航天飛機與外部艙實質(zhì)上并沒有“爆炸”。它們是在航天飛機接近最大氣動壓力(即“最大Q值”)后,被巨大的空氣動力迅速撕裂的。外部艙解體后,其中儲存的燃料與氧化劑逸出,并造成爆炸產(chǎn)生巨大火球的假象。不過,按照NASA團隊在事故后的影像分析結(jié)果來看,推進燃料只有“部分燃燒”[8]。同樣的,航天飛機泄漏的液氧和液氫產(chǎn)生了最初組成可見煙云的成分:水蒸氣與氣體。傳統(tǒng)上,保存在低溫下的液氫不可能迅速地燃燒并觸發(fā)一場“爆炸”。如果發(fā)生爆炸,爆炸會迅速摧毀整個航天飛機,同時連帶殺死機上的所有宇航員。但在飛行器解體的過程中,更堅固的船員艙與SRB幸存了下來;SRB隨后被遠程遙控命令自毀;分離的船員艙則以拋射軌道下墜,并在T+75.237離開煙云時清晰可見。飛行器解體25秒后,船員艙抵達19.8千米(65,000英尺)的拋射軌道頂點,并于14.6千米(48,000英尺)處解體。 死因之謎
在飛行器解體的過程中,更堅固的船員艙保留了整體,并處于慢速翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。NASA粗略估計如果要撕裂船員艙的話,作用力要達到重力g的12到20倍;但是,在兩秒內(nèi),作用在艙體上的力已經(jīng)減少到4 g以下,而在10秒后船員艙已進入自由落體狀態(tài)。這些力看來不足以對艙體造成主要的損害。至少在解體后,有跡象表明部分宇航員依然還活著并暫時具有意識:事后發(fā)現(xiàn)飛行甲板上的4個個人外出空氣袋(PEAP)中的3個已激活。調(diào)查員發(fā)現(xiàn)空氣余量與解體后2分45秒的拋射時間大約一致。在解體較長一段時間后,宇航員是否還具有意識是不可而知的,這在很大程度上依賴于分離的船員艙內(nèi)是否維持了安全的壓力。如果沒有,在當時的高度上能維持意識的時間只有幾秒鐘;PEAP只供給非加壓的空氣,因此無助于幫助宇航員們維持意識。船員艙以大約334千米/時的速度濺落海面,導致了超過200 g的瞬間減速,遠遠超過了船員艙的結(jié)構(gòu)承受極限與人員存活極限。
1986年7月28日,NASA太空飛行副主管及前宇航員理查德·特魯利海軍少將,發(fā)表了一份由休斯敦約翰遜航天中心的生物醫(yī)學專家約瑟夫·克爾溫提交的報告,提到了事故中宇航員的死亡??藸枩夭┦吭鴧⑴c天空實驗室2號任務(wù),在事故發(fā)生不久后便被委派負責調(diào)查事故的原因。克爾溫的報告中提到:
“結(jié)果是不確定的。船員艙與海洋表面的碰撞非常猛烈,導致了在爆炸后幾秒內(nèi)造成的破壞跡象被抹除。最終結(jié)論是:
不能確定導致挑戰(zhàn)者號宇航員死亡的原因;
軌道艙解體時的作用力對宇航員也許不能造成致命或嚴重的傷害;
而宇航員很有可能,不過不一定,在軌道艙解體后的幾秒內(nèi)由于飛行中的船員模塊失去壓力而失去意識。
根據(jù)死亡解剖證據(jù),死因已經(jīng)被判明為墜落時艙體與海面的重擊而造成死亡。
逃生備案
調(diào)查表明,在航天飛機解體爆炸前,至少有3名航天員并沒有馬上死亡。這3名航天員打開了航天飛機上的應(yīng)急供氧設(shè)備。這3人最終死于低溫、缺氧(航天飛機解體到墜入海洋歷時至少3分鐘)和掉入海洋時500多G的超重。在航天飛機設(shè)計期間,曾有幾次提及發(fā)射逃生系統(tǒng),但NASA的最終結(jié)論是:航天飛機可期待的高可靠性可以排除對這一系統(tǒng)的需要。前4次測試飛行的航天飛機軌道任務(wù)中,用到了修改后的SR-71黑鳥式偵察機彈射座椅與全套的增壓服;但在后來正式的任務(wù)中,卻移除了這些裝置。發(fā)射逃生系統(tǒng)被認為有以下這些局限而未安裝:“有限的作用、技術(shù)的復(fù)雜與過多金錢的花費、重量與日程表的拖延”。 在失去挑戰(zhàn)者號后,這個問題被再次提出,同時NASA也考慮了幾種方案:包括彈射座椅、牽引救生裝置與從軌道艙底部跳傘逃生的方案。但是,NASA再次得出了所有的發(fā)射逃生系統(tǒng)都是不切實際的結(jié)論,理由是這些都將導致必然對現(xiàn)有飛行器進行大規(guī)模的修改,并因此縮減宇航員的活動空間。跳傘逃生系統(tǒng)的設(shè)計允許宇航員在航天飛機滑行過程中跳傘逃生;但是,該系統(tǒng)已經(jīng)無法在挑戰(zhàn)者號的方案中實現(xiàn)了。