Challenger (1986): kalte O-Ringe, die sich zu langsam zurückstellten

Am 28. Januar 1986 brach die Raumfähre Challenger etwa 73 Sekunden nach dem Start auseinander, alle sieben Besatzungsmitglieder kamen ums Leben. Die Präsidentenkommission stellte als Ursache das Versagen der Druckdichtung in einer Verbindung der rechten Feststoffrakete fest. Der Morgen des Starts war der kälteste bis dahin, und die kalten Gummi-O-Ringe kehrten nur langsam in ihre ursprüngliche Form zurück.

Was geschah

Datum

28. Januar 1986, 11:38 Uhr (EST)

Fahrzeug

Raumfähre Challenger (Mission 51-L)

Opfer

Etwa 73 Sekunden nach dem Start brach das Fahrzeug in etwa 46000 ft (etwa 14 km) Höhe auseinander; alle sieben Besatzungsmitglieder starben

Temperatur

36 °F (etwa 2 °C) beim Start, 15 °F kälter als beim kältesten früheren Start

Verbindung

Hintere Montageverbindung (Field Joint) der rechten Feststoffrakete; an der 300-Grad-Position der Verbindung auf 28 ± 5 °F (etwa −2 °C) geschätzt

Untersuchung

Report of the Presidential Commission on the Space Shuttle Challenger Accident (1986)

Ablauf und Ergebnisse der Untersuchung

Bereits 0,678 Sekunden nach dem Abheben trat nahe der hinteren Montageverbindung der rechten Feststoffrakete ein kräftiger grauer Rauchstoß aus, und die folgenden Rauchstöße wurden immer schwärzer. Nach 58,788 Sekunden erschien an derselben Rakete ein flackernder Flammenschein, der nach 59,262 Sekunden zu einer stetigen Flamme wurde. Nach 73,124 Sekunden zeigte sich am unteren Ende des Außentanks ein ringförmiges weißes Dampfmuster, das als Beginn des strukturellen Versagens des Wasserstofftanks gilt. Nach etwa 73 Sekunden begann das Fahrzeug auseinanderzubrechen.

Die Kommission kam zu dem Schluss, dass die Unfallursache das Versagen der Druckdichtung in der hinteren Montageverbindung des rechten Feststoffraketenmotors war, bedingt durch eine fehlerhafte Konstruktion, die unannehmbar empfindlich auf eine Reihe von Faktoren reagierte, darunter Temperatur, Abmessungen, Werkstoffe, die Folgen der Wiederverwendung, die Verarbeitung und das Verhalten der Verbindung unter dynamischer Last.

Die Ursachenkette aus werkstofftechnischer Sicht

Die Verbindung der Rakete war mit zwei Gummi-O-Ringen mit einem Schnurdurchmesser von 0,280 in (etwa 7,1 mm) abgedichtet. Die Dichtwirkung beruht hauptsächlich darauf, dass der Gasdruck auf die stromaufwärts gelegene Seite des O-Rings drückt. Der Kitt in der Verbindung sollte als Wärmeschutz verhindern, dass Verbrennungsgas die O-Ringe unmittelbar berührt; seine Wirkung als Druckdichtung ist stark schwankend.

Unmittelbar nach der Zündung öffnet sich der Spalt der Verbindung (Joint Rotation), und dynamische Effekte vergrößern die Öffnung. Die Kommission stellte fest, dass die Rückstellfähigkeit der O-Ringe unmittelbar von der Temperatur abhängt, dass ein warmer zusammengedrückter O-Ring viel schneller in seine ursprüngliche Form zurückkehrt als ein kalter und dass der O-Ring bei der kalten Starttemperatur sehr langsam in seine runde Form zurückgekehrt und der Spaltöffnung wahrscheinlich nicht gefolgt ist. Ferner könnten Temperatur, Feuchte und andere Einflüsse auf den Kitt den Druckaufbau am O-Ring verzögert und so zum anfänglichen Versagen der Verbindung beigetragen haben; außerdem könnte Wasser in der Verbindung gefroren sein und die Wirkung des zweiten O-Rings beeinträchtigt haben.

Bei früheren Flügen hatten nur vier Starts bei 61 °F oder darüber Wärmeschäden an den O-Ringen gezeigt, während bei jedem Start unter 61 °F mindestens ein O-Ring Wärmeschäden aufwies.

Zur Deutung der Ursache: Manches Lehrmaterial von Universitäten (University of Michigan) erklärt, die Temperatur am Starttag habe unter der Glasübergangstemperatur des Gummis gelegen, sodass die O-Ringe spröde geworden seien. Der Bericht der Präsidentenkommission stellt fest, dass sich die Rückstellung der O-Ringe mit sinkender Temperatur verlangsamte und dass sie der Spaltöffnung wahrscheinlich nicht folgten.

Die Merkmale, die zur Ursache führten

• Die Starttemperatur war die tiefste bis dahin Einsatztemperatur: Tief (unter etwa 0 °C)
• Die Dichtungen waren O-Ringe aus Gummi (Elastomer) Werkstoff: Gummi oder Elastomer (Dic…
• Bei der Zündung wurde die Verbindung schlagartig mit Druck beaufschlagt, und ihr Spalt öffnete sich Belastung: Schlag oder plötzliche gr…
• Zahlreiche Versuche hatten gezeigt, dass die Rückstellfähigkeit der O-Ringe mit sinkender Temperatur abnimmt Werkstoff: Gummi oder Elastomer (Dic…
• Jeder Start unter 61 °F hatte Wärmeschäden an den O-Ringen gezeigt Einsatztemperatur: Tief (unter etwa 0 °C)

Navigator mit den Merkmalen dieses Falls öffnen

Öffnet man den Navigator mit diesen Merkmalen, steht der Verlust der Elastizität und die Versprödung von Polymeren bei tiefer Temperatur an der Spitze.

Zugehörige Schadensarten: Verlust der Elastizität und Versprödung von Polymeren bei tiefer Temperatur

Was sich danach änderte: Konstruktion, Vorschriften und Prüfung

• Die Kommission empfahl, die fehlerhafte Verbindung und Dichtung des Feststoffraketenmotors zu ändern. Die Unversehrtheit der Verbindung sollte unempfindlich gegen Maßtoleranzen, Montage, Umwelteinflüsse und weiteres sein, und die Qualifizierung sollte mit Versuchen erfolgen, die die Startbedingungen über den gesamten Betriebsbereich einschließlich der Temperatur möglichst genau nachbilden. Außerdem sollte ein unabhängiger Ausschuss des National Research Council die Konstruktion überwachen.
• Empfohlen wurden auch Regeln für das Verhängen und Aufheben von Startbeschränkungen (Launch Constraints) und Maßnahmen, die sicherstellen, dass technische Informationen die Entscheidungsträger vollständig erreichen.
• Die neu konstruierte Verbindung erhielt eine Fangvorrichtung (Capture Feature), die durch Metall-auf-Metall-Überdeckung die Spaltöffnung begrenzt, einen dritten O-Ring, eine Gestaltung, die die O-Ringe stets zusammengedrückt hält (der zusammengedrückte O-Ring füllt nie mehr als 90 % seiner Nut), und einen zusätzlichen Anschluss für Dichtheitsprüfungen nach der Montage; die innere Isolierung wurde statt mit Kitt mit einer Klappe zum Ausgleich von Verformungen (Deflection Relief Flap) abgedichtet.
• An den Montageverbindungen wurden äußere Heizungen mit integrierten Wetterdichtungen angebracht, die die Dichtungen auf mindestens 75 °F (etwa 24 °C) halten.

Lehren

• Werkstoffeigenschaften ändern sich stark mit der Temperatur. Bauteile müssen bei der ungünstigsten Temperatur unter praxisnahen Bedingungen geprüft werden.
• Entscheidend für eine Dichtung ist, ob sie unter realen Bedingungen mit einem sich bewegenden Spalt funktioniert, nicht im Ruhezustand.
• Die Tendenz, dass kältere Starts mehr Wärmeschäden an den O-Ringen zeigten, war in den Aufzeichnungen früherer Flüge bereits erkennbar.
• Eine Konstruktion, die auf viele Bedingungen empfindlich reagiert, versagt, sobald eine davon nicht stimmt. Anzustreben sind Konstruktionen, die gegenüber den Bedingungen unempfindlich sind.
• Organisationen brauchen Verfahren, die sicherstellen, dass die Informationen der Ingenieure die Entscheidungsträger vollständig und rechtzeitig erreichen.