チャレンジャー号の事故(1986年):低温でOリングの弾性の回復が遅れた
1986年1月28日、スペースシャトル チャレンジャーは打ち上げの約73秒後に分解し、乗員7人全員が亡くなりました。大統領委員会は、右の固体ロケットブースターの継手の圧力シールが壊れたことが原因だとしました。打ち上げの朝はそれまでで最も寒く、ゴムのOリングは冷えて元の形に戻るのが遅くなっていました。
何が起きたか
- 日時
- 1986年1月28日 午前11時38分(米国東部標準時)
- 機体
- スペースシャトル チャレンジャー(ミッション 51-L)
- 被害
- 打ち上げの約73秒後、高度約46,000 ft(約14 km)で機体が分解し、乗員7人全員が死亡
- 気温
- 打ち上げ時 36°F(約2℃)。それまでで最も寒かった打ち上げより15°F低い
- 継手
- 右の固体ロケットブースターの後部の現場継手。継手の300°の位置で28±5°F(約−2℃)と推定
- 調査
- スペースシャトル チャレンジャー事故に関する大統領委員会の報告書(1986年)
事故の経過と調査の結論
打ち上げから0.678秒後には、右の固体ロケットブースターの後部の継手のあたりから強い灰色の煙が出ていて、その後の煙はしだいに黒くなりました。58.788秒に同じブースターに炎のゆらぎが現れ、59.262秒には連続した炎になりました。73.124秒に外部タンクの下部に白い蒸気の輪が現れ、これが水素タンクの構造の破壊の始まりとされています。約73秒で機体の分解が始まりました。
委員会は、事故の原因は右の固体ロケットモーターの後部の現場継手の圧力シールの破損であり、その破損は、温度・寸法・材料・再使用の影響・処理・動的な荷重への反応など、多くの要因に許容できないほど敏感な、欠陥のある設計によるものだと結論しました。
材料の側から見た原因の連鎖
ブースターの継手は、断面の直径が0.280インチ(約7.1 mm)の2本のゴムのOリングでふさいでいました。シールの主なしくみは、燃焼ガスの圧力がOリングの上流側から押しつけることです。継手のパテは、燃焼ガスがOリングに直接触れないようにする断熱のためのもので、圧力のシールとしての働きはばらつきが大きいとされています。
点火の直後には継手のすき間が開き(ジョイントローテーション)、動的な効果でその開きは大きくなります。委員会は、Oリングの弾性は温度に直接関係し、圧縮されたOリングは、温かいほうが冷たいものよりずっと速く元の形に戻ること、寒い打ち上げの温度ではOリングが丸い形に戻るのが非常に遅く、すき間の開きに追従しなかったと考えられることを認定しました。パテの温度や湿度などでOリングに圧力がかかるのが遅れたことも、最初の継手の破損の要因になりえたとしています。継手のすき間の水が凍って、副のOリングの働きを妨げた可能性も挙げています。
それまでの飛行の記録では、61°F以上の打ち上げでOリングに熱による損傷が見られたのは4回だけでしたが、61°F未満の打ち上げでは毎回、1つ以上のOリングに熱による損傷がありました。
原因の見方について: 大学の教材の中には、打ち上げの日の温度がゴムのガラス転移温度を下回っていて、Oリングがもろくなったと説明するもの(ミシガン大学)もあります。大統領委員会の報告書は、Oリングの弾性の回復が温度とともに遅くなり、すき間の開きに追従しなかったと考えられる、と述べています。
どの手がかりで原因がわかったか
- 打ち上げの気温は、それまでで最も低かった 使っていた温度: 低温(0℃付近より低い)
- シールは、ゴム(エラストマー)のOリングだった 材料: ゴム・エラストマー(シール・Oリングなど)
- 点火の瞬間に継手に急に圧力がかかり、すき間が開いた かかっていた荷重: 衝撃や、急に大きな荷重がかかった
- Oリングの弾性の回復が低温で遅くなることは、試験でくり返し確かめられていた 材料: ゴム・エラストマー(シール・Oリングなど)
- 61°F未満の打ち上げでは、毎回Oリングに熱による損傷があった 使っていた温度: 低温(0℃付近より低い)
この手がかりで診断ナビを開くと、高分子の低温での弾性低下・ぜい化が最上位になります。
関係する破損の形態: 高分子の低温での弾性低下・ぜい化
その後に変わった設計・規格・検査
- 委員会は、欠陥のある固体ロケットモーターの継手とシールは変えなければならないと勧告しました。継手の健全性は、寸法の公差・組立て・環境の影響などに鈍感であるべきで、温度を含む全使用範囲で、打ち上げの状態にできるだけ近い試験で認定することを求めました。全米研究評議会に、設計を独立して監視する委員会を置くことも求めました。
- 打ち上げの制約(ローンチ・コンストレイント)を課したり外したりする方針を定めることと、技術の情報が意思決定に十分に届く仕組みを整えることも勧告されました。
- 再設計した継手には、金属どうしが締まり合ってすき間の開きを抑えるキャプチャー機構、3本目のOリング、Oリングを常に圧縮する形(圧縮されたOリングが溝の90%を超えて埋めない)、組立てのあとに漏れを確かめる検査口が加わり、内側の断熱材の継ぎ目は、パテの代わりに、たわみを逃がすフラップでふさぐ形になりました。
- 現場継手には防水シールと一体の外部ヒーターが付けられ、シールの温度を75°F(約24℃)以上に保つようになりました。
学べること
- 材料の性質は温度で大きく変わります。部品は、最も厳しい温度で、実際に近い状態で試験して確かめます。
- シールは、静かな状態ではなく、すき間が動く実際の条件で働けるかが問われます。
- 低温の打ち上げほどOリングの熱による損傷が多いという傾向は、それまでの飛行の記録に表れていました。
- 多くの条件に敏感な設計は、どれか1つの条件が外れると壊れます。条件に鈍感な設計を目指します。
- 技術者の持つ情報が、判断する立場の人に十分に、時を逸せずに届く仕組みが必要です。