溫世仁卓越學術講座/ Sayling Wen Lecture

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諾貝爾獎主奧雪羅夫指導中大學生做實驗
分享哥倫比亞號太空梭解體調查報告

文/古明芳、陳如枝

1996年諾貝爾物理獎得主奧雪羅夫(Douglas D. Osheroff)在財團法人溫世仁文教基金會贊助之下,應台灣聯合大學系統「溫世仁卓越學術講座」來台,6月7日在東華大學、6月8日在清華大學、6月9日在中央大學演講,深獲年輕學子歡迎。
9日下午在中央大學對近六百名大學生、高中生演講「哥倫比亞太空梭意外與人類宇宙航行之未來」,他表示哥倫比亞太空梭的解體,與其中的隔熱材料「泡棉(foam)」有高度相關,這片材料脫落後以每秒240公尺速度撞擊左翼前沿的碳板,因而形成破洞。
奧雪羅夫雖是研究高深學問的教授,但是演講的語言幽默,將嚴肅的物理原理及參與重大調查工作的歷程,以深入淺出的語言與年輕學生溝通,全場以英語進行,學生也以流利英語提出問題,會場不時傳來陣陣笑聲。


走訪中大重點實驗室

奧雪羅夫9日在中央大學有一整天的行程,上午走訪中央大學藝文中心,參觀中大公共藝術徵件展和師生攝影展,留下「人與自然之美薈萃中大」美麗話語。隨後漫步校園,尋找理學院前他專屬的「諾貝爾之椅」,重溫2007年首次來到中大揭牌的美好記憶。
奧雪羅夫此行也特別走訪中大物理系重點實驗室,指導師生現行的實驗。第一站來到中央研究院院士、物理系伊林教授的複雜系統實驗室,了解伊林教授響譽國際的微粒電漿晶格之研究,他對於電漿的特性、擾動情形感到好奇,頻頻與伊林教授交換意見。伊林教授最後談到「波動」,勾起歐謝羅夫教授青春記憶,他說,他在高中時期,也曾在水中綁了一條繩子,想了解繩子波動與水面波動的關連性,科學家的實驗精神從此可見。
第二站走訪物理系主任黎璧賢教授的「生物軟物質實驗室」,了解外籍生與黎教授共同進行的非平衡物理實驗,奧雪羅夫教授對於如此簡易的設備,實驗已達奈米層次,頗為驚訝。他親切溫和的形象,與學生互動良好,讓許多學生見識到大師平易近人的一面。

太空梭意外說分明

奧雪羅夫下午則對中大師生以及武陵高中、中壢高中、復旦高中、新竹中學、新竹女中、新竹實驗高中、中正高中學生提出他參與美國太空梭事故調查委員會的歷程與實驗結果,由物理系教授張元翰協助物理專業的摘要翻譯與講解。
哥倫比亞號太空梭(STS Columbia OV-102)是美國國家航空暨太空總署(NASA)所屬的太空梭之一。在2003年2月1日,在代號STS-107的第28次任務重返大氣層的階段中與控制中心失去聯繫,並且在不久後在美國德州上空爆炸解體,機上7名太空人全數罹難。
奧雪羅夫展示太空梭升空動態照片,發現太空梭升空時在外側掉落了一塊泡棉,打中太空梭左翼前端的強化碳板。泡棉來自前端的兩腳架,泡棉擊中太空梭的速度是每秒240公尺,相當於來福槍子彈出口的速度。
工程人員監看發射的即時影像時便對泡棉的撞擊有所疑慮,但管理階層認為沒有明顯危險。後來工程人員曾利用私人管道聯繫國防部,希望透過衛星去拍攝太空梭受損的部份,國防部因而要求NASA轉移飛行角度,但計畫主持人認為此要求並未透過正常管道進行,拒絕讓衛星拍攝太空梭受損部分。
哥倫比亞太空梭返回地球時,發現胎壓不正常到太空梭解體的時間很短,差不多兩分鐘,事情發生得很快速。太空梭碎片靠近達拉斯,在地面散落成一長條,奧雪羅夫說,若是碎片落在城市內,將會砸傷數個老百姓。因此,在哥倫比亞太空梭解體之後,便規定太空梭飛行路線必須避開大城市,以免造成更多人員傷亡。
意外發生後一天之內,美國成立了事故調查委員會,由於調查委員都是政府人員,美國國會擔心調查資訊不能透明化,要求必須有一位大學成員加入,因此奧雪羅夫應邀加入了該調查委員會。
調查委員會動用許多人力撿拾太空梭碎片,總共約四萬片碎片,被帶往甘迺迪太空中心的機棚,在地上按照太空梭的形狀重新排列,排列結果可看到左邊機翼碎片顯然少了許多。調查委員檢視碎片,有些結構相當完整,例如前輪的結構,奧雪羅夫對此現象感到奇特。
奧雪羅夫表示調查委員會有13委員以及120工程人員的協助,加上NASA內部的調查委員和工程人員,總共有將近600人參與太空梭爆炸的調查工作。是一個人數龐大的調查團。
委員會認為是那塊掉落的泡棉引發太空梭解體,但真是如此嗎?因為那塊掉落物密度只有水的三十分之一、重量僅有一磅多(約0.7公斤)。委員會更加謹慎精密地重組了機翼前沿的模型,可以看到有高溫氣體從金屬旁邊經過的痕跡。
奧雪羅夫解釋,由於太空梭的每一塊強化碳板形狀都不同,在編號第八號RCC(強化碳板)有熱空氣進到機翼的證據,這熱空氣流進整個左翼造成太空梭的解體。委員會很早就看出問題是在第八號碳板,但每次做結論時,委員會仍會懷疑是否還有其他因素造成太空梭的解體,因此需要有更多的驗證來支持他們的假設與結論。

實驗證明泡棉惹了禍

後來他們發現了鋁合金融化噴濺到碳板的痕跡,在碳板上形成一排的小黑點,切開之後,發現小黑點是太空梭機翼內部支架所用的金屬,遇熱融化後沿著氣流噴射到碳板的內側,形成了小黑點。
委員會後來進行第八、九、十塊RCC和泡棉撞擊的實驗,模擬碎片撞擊機翼的情形。奧雪羅夫自行設計一個實驗,檢驗是否大氣壓力會迫使泡棉脫離,但實驗結果是造成了泡棉內部的裂縫,且裂縫垂直於泡棉材料的結構線。經過實驗發現,每次都從兩腳架的左邊那隻腳架脫落;右腳架則因為有其他結構保護,受到風的壓力較小,因此不容易脫落。

事實上,在哥倫比亞太空梭解體前兩個月,就曾發生碎片打中太空梭事件,NASA過去有七次類似事件,其中有五次發生在哥倫比亞太空梭。奧雪羅夫指出,NASA管理階層經常接收到危險的警訊,但由於有經費來源或政治上的壓力,會要求工程人員盡量配合管理階層的決策,將「不正常事件正常化」,因而形成了太空梭安全政策上的盲點。

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