Jak rozwiązano sprawę katastrofy Challengera?

To był wtorek 28 stycz­nia 1986 roku. O godzi­nie 11:38 czasu miej­sco­we­go prom kosmicz­ny Chal­len­ger oderwał się od ziemi, star­tu­jąc z plat­for­my na Przy­ląd­ku Cana­ve­ral. Roz­po­czę­cie dwu­dzie­stej piątej misji ame­ry­kań­skie­go pro­gra­mu waha­dłow­ców śle­dzi­ły miliony tele­wi­dzów, w tym aż 2,5 miliona dzieci. Szcze­gól­nie wysoka oglą­dal­ność była zasługą obec­no­ści na pokła­dzie nie­ty­po­we­go pasa­że­ra, w osobie Christy McAu­lif­fe. 37-letnia histo­rycz­ka z New Hamp­shi­re została wyse­lek­cjo­no­wa­na do lotu spośród 11 tysięcy chęt­nych cywili w ramach pro­jek­tu Nauczy­ciel w kosmo­sie.

Sie­dem­dzie­siąt trzy sekundy później zapa­no­wał chaos. Niebo roz­dar­ła ogromna poma­rań­czo­wa kula ognia, a widzo­wie zoba­czy­li to:

Chal­len­ger uległ dez­in­te­gra­cji, zabi­ja­jąc całą sied­mio­oso­bo­wą załogę misji STS-51‑L. NASA ponio­sła jedną z naj­do­tkliw­szych porażek w histo­rii swojego ist­nie­nia. Przez kolejne mie­sią­ce kata­stro­fą żyła cała Ameryka. Wszyscy chcieli poznać winnych i dostać odpo­wiedź na pytanie:

Dlaczego wahadłowiec eksplodował?

Trzy dni po kata­stro­fie Ronald Reagan powołał pre­zy­denc­ką komisję śledczą. Na jej czele stanął William Rogers – prawnik z wypra­co­wa­nym auto­ry­te­tem, były pro­ku­ra­tor gene­ral­ny i sekre­tarz stanu. Obok niego zasia­dło dwu­na­stu eks­per­tów, z naci­skiem na inży­nie­rów, fizyków, woj­sko­wych, byłych pilotów oraz astro­nau­tów. Na liście figu­ro­wa­ły gorące nazwi­ska, m.in. pierw­sze­go czło­wie­ka na Księ­ży­cu Neila Arm­stron­ga, pierw­szej ame­ry­kań­skiej astro­naut­ki Sally Ride i przede wszyst­kim sław­ne­go fizyka, lau­re­ata Nagrody Nobla, miło­śni­ka bon­go­sów i wsze­la­kich łami­głó­wek – Richar­da Feynmana.

Na pomysł zaan­ga­żo­wa­nia popu­lar­ne­go pro­fe­so­ra wpadł dyrek­tor NASA, William Graham. Nie był to wcale oczy­wi­sty wybór, ponie­waż Feynman miał wtedy na karku już 68 lat, poważne pro­ble­my zdro­wot­ne i abso­lut­nie nie prze­ja­wiał ochoty na bro­dze­nie w poli­tycz­nym bagnie. Na dodatek był teo­re­ty­kiem i spe­cja­li­zo­wał się w elek­tro­dy­na­mi­ce kwan­to­wej, a nie inży­nie­rii kosmicz­nej czy astro­nau­ty­ce. Graham pozo­sta­wał jednak wiernym fanem Feyn­ma­na (uczęsz­czał na jego wykłady w Cal­te­chu) i liczył przede wszyst­kim na jego bez­kom­pro­mi­so­wość i krnąbr­ny charakter.

Jak wiemy ze wspo­mnień Feyn­ma­na, kiedy usły­szał on, że ma się stawić w Waszyng­to­nie, myślał tylko o tym… jak się z tego wykrę­cić. Nie znalazł jednak nigdzie wspar­cia. Wszyscy koledzy, których pytał o zdanie, zachę­ca­li go do udziału w komisji. Do wyjazdu prze­ko­ny­wa­ła go nawet żona, Gweneth:

Jeżeli ty tego nie zrobisz, to dwu­na­stu przy­się­głych będzie jeździć z miejsca na miejsce. Jak ty się przy­łą­czysz, jede­na­ście osób będzie tak samo jeździć z miejsca na miejsce, ale dwu­na­sty będzie węszył po kątach i badał wszyst­kie podej­rza­ne sprawy. Pewnie nic tam nie ma, ale jeżeli jest ty to znaj­dziesz. Nikt inny nie potrafi tego tak jak ty.

R. Feynman, “A co ciebie obcho­dzi, co myślą inni?”

Wjazd na ambicję okazał się sku­tecz­ny. Fizyk przyjął wyzwa­nie, ale z zastrze­że­niem, że bez względu na oko­licz­no­ści spędzi w stolicy naj­wy­żej pół roku i ani dnia dłużej. Nawet jeżeli w tym czasie nie roz­wi­kła sprawy, potem wraca do swojego życia w sło­necz­nej Kalifornii.

Zostaw­my na chwilę Feyn­ma­na i przyj­rzyj­my się bliżej ana­to­mii promu kosmicz­ne­go. Waha­dło­wiec to bardzo złożona hybryda. Skrzy­dla­ty orbiter (ta część z załogą i ładun­kiem) pozo­sta­je przy­cze­pio­ny do gigan­tycz­ne­go poma­rań­czo­we­go zbior­ni­ka paliwa (Exter­nal Tank, ET), wypeł­nio­ne­go 740 tonami cie­kłe­go wodoru i tlenu. Do tego docho­dzą dwa białe booste­ry na paliwo stałe (Solid Rocket Boosters, SRB). To one gene­ru­ją więk­szość ciągu potrzeb­ne­go do ode­rwa­nia całego tego zestawu od ziemi i są dla tej histo­rii najistotniejsze.

Przede wszyst­kim musisz wie­dzieć, że SRB‑y nie były jed­no­li­ty­mi meta­lo­wy­mi rurami, lecz skła­da­ły się z kilku połą­czo­nych segmentów. 

Dlaczego składano je z osobnych klocków?

Z przy­czyn prak­tycz­nych i zupeł­nie pro­za­icz­nych. Zaczy­na­jąc od uprosz­cze­nia pro­duk­cji, przez łatwość ser­wi­so­wa­nia, aż po przewóz. Logi­sty­ka była nie lada wyzwa­niem, ponie­waż silniki na paliwo stałe pro­du­ko­wa­ły zakłady Morton Thiokol w pobliżu Brigham City w stanie Utah. Żeby dostar­czyć seg­men­ty na Przy­lą­dek Cana­ve­ral, wagony kole­jo­we musiały pokonać drogę 3,2 tysiąca kilometrów!

To dystans jak z War­sza­wy do Kuwejtu (tak, Ameryka jest całkiem spora). I to nie jeden raz, bo SRB‑y były rakie­ta­mi wie­lo­krot­ne­go użytku. Po wyczer­pa­niu paliwa były odrzu­ca­ne i spadały na spa­do­chro­nach do oceanu, następ­nie wyła­wia­ne, roz­krę­ca­ne i znów posy­ła­ne do Utah, gdzie czekał je remont.

W tej sytu­acji dzie­le­nie 85-tono­wych cylin­drów na mniej­sze ele­men­ty i skła­da­nie ich na miejscu, wydaje się jedynym roz­sąd­nym wyj­ściem. Ma ono jednak poważną cenę kon­struk­cyj­ną. Każde dodat­ko­we złącze to dodat­ko­wy słaby punkt i poten­cjal­na nie­szczel­ność. Nie muszę pisać, że w przy­pad­ku pojem­ni­ków wypeł­nio­nych setkami ton łatwo­pal­nych sub­stan­cji, to nie naj­lep­sza wiadomość.

Po to wynaleziono uszczelki.

Na złą­czach SRB-ów insta­lo­wa­no gumowe obrącz­ki o gru­bo­ści 7,11 mili­me­tra, nazy­wa­ne O‑ringami. Były wyko­ny­wa­ne z ela­sto­me­ru flu­oro­wę­glo­we­go (Viton) – mate­ria­łu dobrze zno­szą­ce­go ście­ra­nie, wibra­cje oraz kontakt z paliwem. Na dodatek, każdą szcze­li­nę zabez­pie­cza­no podwój­nie, pier­ście­niem głównym i zapa­so­wym, uło­żo­ny­mi w rowkach wokół korpusu silnika. Szkopuł w tym, że cała ta nad­mia­ro­wość (po inży­nier­sku: redun­dan­cja) ma sens tylko w przy­pad­ku odosob­nio­nej wady jednej z uszcze­lek. Nie pomoże nato­miast, jeżeli defekt dotyczy samego mate­ria­łu, a tym samym sku­tecz­no­ści wszyst­kich O‑ringów w danych warunkach.

Richard Feynman nie był może eks­per­tem od inży­nie­rii kosmicz­nej, ale nad­ra­biał wszel­kie braki cie­ka­wo­ścią. Poje­chał do Jet Pro­pul­sion Labo­ra­to­ry, oso­bi­ście prze­słu­chał kon­struk­to­rów, obej­rzał wszyst­kie dostęp­ne nagra­nia startu, zwie­dził Centrum Kosmicz­ne Ken­ne­dy­’e­go i zaczął zadawać mnóstwo nie­wy­god­nych pytań. 

W ten sposób nauko­wiec szybko ziden­ty­fi­ko­wał źródło pro­ble­mu i zro­zu­miał, że piętą achil­le­so­wą O‑ringów była podat­ność na niską tem­pe­ra­tu­rę. Żeby uszczel­ka speł­nia­ła swoją funkcję musi być ela­stycz­na, dyna­micz­nie reagu­jąc na poja­wia­ją­ce się odkształ­ce­nia. Podczas startu waha­dłow­ca nie ma miejsca na sub­tel­no­ści: złącza pracują pod ogrom­nym obcią­że­niem, a gorące gazy szukają choćby mili­me­tra drogi uciecz­ki. Tym­cza­sem Viton po schło­dze­niu tracił sprę­ży­stość, nie nadą­ża­jąc z wypeł­nia­niem powsta­ją­cych nieszczelności.

Tym­cza­sem 28 stycz­nia 1986 roku Florydę nawie­dził wyjąt­ko­wo dotkli­wy przy­mro­zek.

Feynman nie miał więk­szych wąt­pli­wo­ści, co do głównej przy­czy­ny tra­ge­dii, ale nie rozu­miał, dla­cze­go na ewi­dent­ne ogra­ni­cze­nia O‑ringów nie zwra­ca­no uwagi już wcze­śniej. Cóż… zwra­ca­no. Prze­glą­da­jąc stosy doku­men­tów, nobli­sta trafił na raport prze­strze­ga­ją­cy przed “brakiem wła­ści­we­go wtór­ne­go uszczel­nie­nia, co stanowi istotne zagro­że­nie”. Istotne.

Autor raportu wie­dział, że w nie­ko­rzyst­nych warun­kach redun­dan­cja ist­nie­je tylko na papie­rze. Został jednak zba­ga­te­li­zo­wa­ny. Nie był jedyny.

Na jedno z posie­dzeń komisji Rogersa wezwano Rogera Boisjoly’ego, pra­cow­ni­ka Morton Thiokol Company – wyko­naw­cy SRB-ów. Inży­nier wstrzą­snął słu­cha­cza­mi zezna­niem, że już pół roku wcze­śniej oso­bi­ście ostrze­gał NASA, wska­zu­jąc na słabe punkty O‑ringów. W tym na utratę wła­ści­wo­ści w niskiej tem­pe­ra­tu­rze. Kata­stro­fa nie zda­rzy­ła się wcze­śniej tylko dlatego, że Floryda to z zasady ciepły region i dotąd żaden waha­dło­wiec nie star­to­wał, gdy ter­mo­metr wska­zy­wał mniej niż 12°C.

Podobne prze­stro­gi for­mu­ło­wał Allan McDo­nald, pro­jek­tant sil­ni­ków Morton Thiokol Company. Bez­po­śred­nio przed lotem odmówił on pod­pi­sa­nia for­mu­la­rza auto­ry­za­cyj­ne­go. W jednym z póź­niej­szych wywia­dów opisał, jak to wyglą­da­ło z jego perspektywy:

Zwró­ci­łem się do kadry zarzą­dza­ją­cej NASA. (…) Powie­dzia­łem, że nie można zaak­cep­to­wać [startu] ponie­waż wy wiecie i ja wiem, że pro­si­cie o lot z tymi sil­ni­ka­mi rakie­to­wy­mi na paliwo stałe, poza tem­pe­ra­tu­rą, w której zostały dopusz­czo­ne do użytku. (…) To jest sprzecz­ne z pro­to­ko­łem, więc nie można tego zaak­cep­to­wać. (…) Powie­dzie­li: wiesz, że to nie powinno cię martwić, ale prze­ka­że­my twoje opinie komu trzeba. Posze­dłem po faks na drugim końcu budynku, więc zajęło to trochę czasu. A kiedy go przy­nio­słem, byli na tele­kon­fe­ren­cji z jednym z człon­ków zarządu misji. Ponie­waż nie było mnie 15–20 minut, przy­pusz­cza­łem, że roz­ma­wia­li wcze­śniej o pro­ble­mie z pier­ście­nia­mi uszczel­nia­ją­cy­mi. Byłem zszo­ko­wa­ny, gdy później dowie­dzia­łem się, że nigdy o tym nie wspomnieli.

A. McDo­nald, “Space Shuttle Chal­len­ger Disa­ster: Ethics Case Study No. 1”

McDo­nald zezna­wał przed komisją kil­ku­krot­nie. Nie tylko powtó­rzył, że Chal­len­ger wystar­to­wał wbrew sprze­ci­wom jego i innych eks­per­tów, ale również oskar­żył dyrek­to­rów o sto­so­wa­nie presji i sta­wia­nie har­mo­no­gra­mu ponad bez­pie­czeń­stwem astronautów.

Posia­da­nie krę­go­słu­pa wiąże się z bólem, dlatego Boisjo­ly i McDo­nald zostali zde­gra­do­wa­ni przez Morton Thiokol, w “podzię­ko­wa­niu” za naru­sze­nie wize­run­ku firmy. Po latach opo­wia­da­li, że obry­wa­ło im się również od kolegów, oba­wia­ją­cych się zwol­nień po ewen­tu­al­nym ogra­ni­cze­niu pro­gra­mu waha­dłow­ców. Osta­tecz­nie jakoś prze­trwa­li w branży, ale chyba tylko dlatego, że ich sytu­acji uważnie przy­glą­dał się Kongres i opinia publiczna.

To jak ważna jest opinia publiki rozu­miał też Feynman. Dlatego podczas sesji 11. lutego posta­no­wił pokazać oby­wa­te­lom, co dopro­wa­dzi­ło do kata­stro­fy, prze­pro­wa­dza­jąc być może naj­słyn­niej­szą demon­stra­cję w histo­rii tele­wi­zji. A na pewno w histo­rii trans­mi­to­wa­nych komisji śledczych.

Podczas posie­dze­nia w całości poświę­co­ne­go O‑ringom, nobli­sta popro­sił obsługę o szklan­kę wody z lodem. Bynaj­mniej nie po to, żeby ugasić pra­gnie­nie. Wycią­gnął z kie­sze­ni próbkę mate­ria­łu, z jakiego wyko­na­no O‑ringi, założył na niego małe ima­deł­ko i wrzucił do zimnej wody.

Głównym punktem pro­gra­mu tego dnia były zezna­nia Law­ren­ce­’a Mulloya, kie­row­ni­ka z Centrum Lotów Kosmicz­nych im. Mar­shal­la, który bardzo starał się prze­ko­nać słu­cha­czy, że dane na temat wła­ści­wo­ści uszcze­lek nie były jed­no­znacz­ne. W pewnym momen­cie Feynman prze­rwał mu, wycią­ga­jąc ze szklan­ki kawałek gumy i ścią­ga­jąc z niej zacisk. Bez cere­gie­li prze­szedł do sedna:

Zauwa­ży­łem, że po zwol­nie­niu zacisku guma nie wraca do swojej poprzed­niej formy. To znaczy, że przez ponad kilka sekund ten kon­kret­ny mate­riał nie wyka­zu­je ela­stycz­no­ści w tem­pe­ra­tu­rze zera stopni. Wydaje mi się, że ma to pewne zna­cze­nie dla roz­pa­try­wa­ne­go przez nas zagadnienia.

R. Feynman

Oczy­wi­ście w ofi­cjal­nym rapor­cie komisja musiała oprzeć się na poważ­niej­szych dowo­dach, jak opinie eks­per­tów i wyniki analiz labo­ra­to­ryj­nych. Jednak mały pokaz Feyn­ma­na miał zna­cze­nie, ponie­waż uzmy­sła­wiał wszyst­kim, że do zro­zu­mie­nia tego kon­kret­ne­go defektu nie trzeba dok­to­ra­tu. Guma nie uszczel­nia­ła booste­rów jak należy, bo w niskiej tem­pe­ra­tu­rze traciła swoją sprę­ży­stość. Nie był to sza­le­nie złożony niuans, który jakiś dyrek­tor lub mena­dżer mógł po prostu przeoczyć.

Komisja miała już wszyst­ko, żeby zre­kon­stru­ować prze­bieg tra­gicz­nych wyda­rzeń. Kiedy Chal­len­ger odrywał się od plat­for­my, zesztyw­nia­łe O‑ringi w prawym SRB-ie nie zabez­pie­czy­ły złącza między dolnymi seg­men­ta­mi rakiety. Gorące gazy zaczęły się wydo­sta­wać na zewnątrz – naj­pierw jak pió­ro­pusz roz­grza­nych pro­duk­tów spa­la­nia, a zaraz potem jako wyraźny płomień. Gazy ulat­nia­ły się z boku rakiety już w pierw­szych sekun­dach, czego nie było widać na więk­szo­ści nagrań, poka­zu­ją­cych maszynę z dru­gie­go profilu.

Stru­mień podczas lotu stop­nio­wo uszka­dzał dyszę silnika, ele­men­ty w pobliżu złącza oraz uchwyt łączący SRB z zewnętrz­nym zbior­ni­kiem paliwa. Po sie­dem­dzie­się­ciu trzech sekun­dach kon­struk­cja pękła. Rakieta na paliwo stałe ode­rwa­ła się i ude­rzy­ła w Exter­nal Tank (czyli ten duży poma­rań­czo­wy cylin­der wypeł­nio­ny wodorem i tlenem). Zbior­nik eks­plo­do­wał, a waha­dło­wiec rozpadł się na kawałki. Uwol­nio­ne SRB‑y jeszcze przez chwilę prze­ci­na­ły niebo, rysując cha­rak­te­ry­stycz­ny ślad w kształ­cie litery “Y” – aż zostały zdalnie zdetonowane.

Wszyscy zginęli w wybuchu?

Rze­czy­wi­stość była jeszcze bar­dziej ponura. Kabina z astro­nau­ta­mi ode­rwa­ła się od reszty maszyny, pozo­sta­jąc jeszcze przez 25 sekund na tra­jek­to­rii wzno­szą­cej, aż do pułapu około 20 kilo­me­trów, po czym zaczęła spadać. 

Pew­no­ści nie ma, ale ist­nie­je szansa, że mimo prze­cią­żeń i dekom­pre­sji, część załogi nie tylko prze­ży­ła, ale nawet zacho­wa­ła przy­tom­ność. Świad­czy o tym to, że co naj­mniej trzy awa­ryj­ne pakiety tlenowe zostały ręcznie akty­wo­wa­ne. Po 2 minu­tach i 45 sekun­dach alu­mi­nio­wa puszka ude­rzy­ła w wodę z pręd­ko­ścią 334 km/h. Wrak opada na dno oceanu.

W czerwcu 1986 roku Komisja Rogersa wydała 260-stro­ni­co­wy raport. Wniosek był jed­no­znacz­ny: strata promu była spo­wo­do­wa­na awarią złącza oraz uszko­dze­niem uszcze­lek. NASA została oskar­żo­na o zanie­dba­nia, nato­miast Morton Thiokol Company – o pro­duk­cję wadli­wych pod­ze­spo­łów i nie­wła­ści­we komu­ni­ko­wa­nie ryzyka. Raport mówił też o czymś głęb­szym: fatal­nej kul­tu­rze orga­ni­za­cyj­nej, w której presja wyniku i ter­mi­narz stały się waż­niej­sze od procedur.

Ale wyciągnięto wnioski, prawda? PRAWDA?

Zaczęły się roszady per­so­nal­ne, wypła­co­no odszko­do­wa­nia, a NASA zawie­si­ła wszyst­kie pla­no­wa­ne loty waha­dłow­ców na dwa i pół roku. Prze­pro­jek­to­wa­no O‑ringi, zmie­nio­no pro­ce­du­ry star­to­we, wpro­wa­dzo­no nowe pro­to­ko­ły bezpieczeństwa.

Chciał­bym powie­dzieć, że wszyst­kie te ruchy wyeli­mi­no­wa­ły ryzyko kolej­nej kata­stro­fy. Nie­ste­ty sie­dem­na­ście lat później, w lutym 2003 roku znisz­cze­niu (tym razem podczas wejścia w atmos­fe­rę) uległ prom Colum­bia. Znów życie stra­ci­ło siedem osób. Ale to inna histo­ria. Cały program STS został zakoń­czo­ny po 135. misjach w 2011 roku.

Co do Richar­da Feyn­ma­na, dopisał on własne pod­su­mo­wa­nie do raportu, w którym pastwił się nad poli­ty­ką NASA oraz ludźmi, którzy nie znali, albo nie chcieli znać oceny ryzyka misji. Zauwa­żył m.in., że w ofi­cjal­nych komu­ni­ka­tach agencja sza­co­wa­ła praw­do­po­do­bień­stwo awarii na 1 do 100 000. Według nich, gdyby waha­dłow­ce star­to­wa­ły codzien­nie, wypadek zda­rzał­by się średnio raz na 270 lat. Nie trzeba mieć Nobla do tego, żeby powtó­rzyć za Feyn­ma­nem, że “to czyste sza­leń­stwo”. Liczba została wzięta z sufitu. Naj­do­bit­niej świad­czy­ły o tym opinie człon­ków samego sztabu tech­nicz­ne­go, którzy na pytanie o ich ocenę ryzyka, poda­wa­li sza­cun­ki bliższe 1:100. Co naj­wy­żej 1:200.

Różnica była więc kolo­sal­na, a kie­row­nic­two podej­mo­wa­ło decyzje w oparciu o własną pro­pa­gan­dę. Spójrz­my też na sprawę szerzej. Christa McAu­lif­fe i tysiące uczest­ni­ków pro­jek­tu Nauczy­ciel w Kosmo­sie, zostało wpro­wa­dzo­nych w błąd. Cywile zgła­sza­li swoją kan­dy­da­tu­rę do udziału w misji, wierząc że lot waha­dłow­cem jest równie bez­piecz­ny, co podróż samo­lo­tem do Europy.

Komisja miała opory przed zapro­to­ko­ło­wa­niem wszyst­kich wnio­sków Feyn­ma­na. Dopiero gdy ten zagro­ził, że w innym razie nie pod­pi­sze raportu, zaak­cep­to­wa­no jego usta­le­nia jako for­mal­ny załącz­nik. Całość zwień­czy­ło zdanie, które pozo­sta­je dosko­na­łą puentą dla całej histo­rii Challengera:

Aby tech­no­lo­gia odnio­sła sukces, rze­czy­wi­stość musi wziąć górę nad budo­wa­niem wize­run­ku, bo natury nie da się oszukać.

R. Feynman